花を付ける植物（被子植物）は花を付けない植物から進化してきました。この30年ほどの研究から、数種類のMADS-box（マッズボックス）遺伝子^[用語1]と呼ばれる遺伝子が共同して働くことで、花が作られることがわかってきました。また、20年前には花を付けない植物であるシダ類にもMADS-box遺伝子があることが発見されました。花を付けない植物ではMADS-box遺伝子がどのような働きをしているのか、それらの遺伝子がどのように進化して花を作るようになったのか、植物の形の進化のメカニズムを探る研究として進められてきましたが、これまでにはっきりとした結論が得られていませんでした。その理由は、花を付けない植物では遺伝子操作が難しく、MADS-box遺伝子がどんな働きをしているかが明確にわからなかったからです。

基礎生物学研究所の越水静総合研究大学院大学 大学院生、村田隆准教授、長谷部光泰教授を中心とした研究グループは、金沢大学の小藤累美子助教、東京工業大学の太田啓之教授グループ、宮城大学の日渡祐二准教授らとの共同研究により、花を付けない植物であるコケ植物ヒメツリガネゴケが持つ6つのMADS-box遺伝子全てを解析し、これらの遺伝子が、茎葉体^[用語2]の細胞分裂と伸長、精子の鞭毛の動きの2つの働きを持っていることを明らかにしました（図1）。茎葉体も精子の鞭毛も、花の咲く植物が乾燥に適応して進化する過程で退化し、消失してしまっています。このことから、進化の過程で、茎葉体と精子の鞭毛で働いていたMADS-box遺伝子が不要になり、それを別な機能に再利用することで、花が進化した可能性が高いことがわかりました（図2）。この点は、発生の仕組みが、異なった系統でも類似している動物とは大きく異なっており、動物と植物では発生の仕組みの進化の仕方が異なることがはっきりしました（図3）。

本研究成果は国際学術誌「Nature Plants（ネイチャー・プランツ）」に2018年1月3日付けで掲載されました。

図1.

コケ植物ヒメツリガネゴケMADS-box遺伝子は精子の運動と、茎葉体の細胞分裂と伸長を制御して茎葉体先端への水輸送の機能を持っていた。

研究の背景

花はガク片、花弁、雄しべ、雌しべの4つの花器官から形成されています。これらの花器官は複数のMADS-box遺伝子が複合的にホメオティック遺伝子として作用して形成されることが知られています。長谷部らは、1998年に花を付けないシダ類リチャードミズワラビにもMADS-box遺伝子が存在し、細胞分裂の活発な組織で働いている（伝令RNAが検出できる）ことを発見しました（Hasebe他 1998 米国科学アカデミー紀要）。しかし、シダ類では遺伝子操作が難しく、遺伝子がどんな働きをしているかを特定できませんでした。さらに、2005年に陸上植物（花の咲く植物と花の咲かない植物の両方を含む）に近縁なミカヅキモ、シャジクモなどもMADS-box遺伝子を持ち、卵や精子で伝令RNAが検出できることを発見しましたが（Tanabe他 2005 米国科学アカデミー紀要）、これらの緑藻類では遺伝子操作ができず、どんな働きを持っているかは不明でした。

そこで、長谷部らは20年ほど前に、コケ植物ヒメツリガネゴケの遺伝子操作実験技術を確立し、花を付けない植物でのMADS-box遺伝子の機能解析を開始しました。当時、博士研究員だった小藤累美子（現金沢大学）は、ヒメツリガネゴケのMADS-box遺伝子を2つ見つけ、遺伝子を破壊しましたが変化が現れませんでした。これは、他にも似た働きを持つMADS-box遺伝子があるからだと考えました。その後、他の複数の研究グループから別のMADS-box遺伝子を破壊した研究が発表され、生殖器官である胞子嚢（花の咲く植物の雌しべの中の珠心や雄しべの葯に相同な器官）が形成されにくいことから、コケ植物でも被子植物の花器官形成と同じように生殖器官（花は被子植物の生殖器官）の発生を制御していると考えられてきました。

研究成果

長谷部らは、国際コンソーシアムを結成し2008年にヒメツリガネゴケのゲノムを解読しました（Rensing他 2008 Science）。その結果、ヒメツリガネゴケには全部で6個のMADS-box遺伝子があることがわかりました。そこで、日渡祐二（現宮城大）らと6個のMADS-box遺伝子を全て破壊すると、従来の研究のように、生殖器官である胞子嚢が形成されにくいことがわかりました。しかし、低い割合ですが、正常な胞子嚢ができることがわかりました。従来の研究でも正常な胞子嚢ができることは知られていましたが、全ての遺伝子を壊していなかったので、残った遺伝子が働いているのだろうと考えられてきました。しかし、今回の研究では6つ全ての遺伝子を破壊したので、MADS-box遺伝子は、胞子嚢形成に働いているのではないことが明らかになりました。そこで、胞子嚢形成に必要な受精に影響があるのではないかと考えました。コケ植物は、茎葉体の先端で、精子が泳いで卵に到達して受精します。MADS-box遺伝子を全て破壊したコケをよく観察すると、遺伝子を壊していないものに較べて、乾燥して見えました。そこで、茎葉体表面に過剰に脂質が蓄積し、水をはじいて乾燥し、受精できないのではないかと考えました。数年間にわたりそのための解析方法を検討しましたが、最終的に、植物脂質の専門家である太田啓之教授グループ（東工大）との共同研究により、遺伝子破壊体で脂質の変化は検出できないことがわかりました。そこで、越水静大学院生はさまざまな試行錯誤を行い、茎葉体は、地上の水分を毛細管現象によって茎葉体の先端に運んでいることを発見しました（図4）。葉と茎の間には狭い隙間があります。地面に水分があると、その水は、狭い隙間に水が入り込む力（毛細管現象）によって、葉と茎の狭い隙間を通って、葉の付け根に溜まります。葉の付け根に水が溜まってくると、一つ上の葉と茎の間の隙間に水が接します。すると、毛細管現象で、一つ上の葉の葉付け根へと水が運ばれます。このような水の移動の繰り返しによって、茎葉体の下から上へと水が運ばれていることがわかりました。そして、MADS-box遺伝子を壊すと、葉と葉の間の茎の細胞数がほぼ倍になり、細胞の大きさも約1.5倍になっているため、葉と葉の間隔が広がり、下の葉の付け根にたまった水が一つ上の葉と茎の隙間に届かず、水が受け渡されていかないことを発見しました。

茎葉体基部から先端への水上げができないことで受精ができないなら、茎葉体を水に漬けてやれば、受精効率があがるはずだと考えました。しかし、たしかに受精率は上昇しましたが、遺伝子を壊していない場合と較べると四分の一ほどの受精率でした。そこで、他にも影響があると考え、遺伝子破壊体の卵と精子が正常かどうかを調べました。精子には鞭毛と呼ばれる毛が生えており、鞭毛を動かして卵へと泳ぎます。しかし、遺伝子破壊体の鞭毛はほとんど動かず、鞭毛タンパク質を作るための遺伝子の発現が減っていることがわかりました。一方、卵は正常でした。

これらの実験結果から、ヒメツリガネゴケのMADS-box遺伝子は、従来考えられてきたように生殖器官の発生を制御しているのではなく、茎葉体の茎の細胞分裂と伸長、精子の鞭毛形成に必要な遺伝子を制御する働きを持っていることがわかりました（図1）。

被子植物は、花粉から伸び出す花粉管の中を精細胞が移動することで受精し、乾燥した陸上での生活に適応しています。被子植物の祖先は、コケ植物のように水と精子を用いる生殖様式を持っていたと推定されています。そして、花粉管を用いた生殖様式が進化する過程で、茎葉体や精子は退化消失し、MADS-box遺伝子も不要になりました。遺伝子は機能を持っているときはその機能を果たすため突然変異が蓄積せず進化しにくいけれども、機能を失うと突然変異が蓄積し進化しやすくなることが知られています。従って、被子植物の進化の過程で茎葉体や精子が不要になる過程で、MADS-box遺伝子が新しい機能、すなわち、花器官形成の機能を進化させてきたと推定されます（図2）。

動物では、共通の遺伝子が発生過程に用いられています。しかし、2012年に長谷部らは、小葉類のイヌカタヒバ、コケ植物ヒメツリガネゴケのゲノム解読結果を被子植物のゲノムを比較し、陸上植物では、被子植物、小葉類、コケ植物の間で、それぞれ発生に関わる遺伝子が異なっているのではないかという仮説を提唱しました（Banks他 2012 Science）。今回の結果は、この仮説を実証し、植物の発生メカニズムが動物に較べて大きく変化してきたことを示しています（図3）。

今後の展望

陸上植物の進化の過程でMADS-box遺伝子は機能を大きく変化させてきたことがわかりました。MADS-box遺伝子は、他の遺伝子の働きを統御するような転写調節因子として機能しています。MADS-box遺伝子が新しい機能を獲得するときに、どのように制御する遺伝子を変えていったのかは未解明です。この問題を解決するためには、コケ植物と被子植物の間に進化した小葉類、シダ類、裸子植物のMADS-box遺伝子の機能解析が重要だと考えられます。これらの植物は遺伝子解析技術が確立されておらず、技術開発ができれば、研究が大きく進展する可能性があります。

研究サポート

本研究は科学研究費補助金、戦略的創造研究推進事業CRESTなどの支援のもと行われました。

論文情報

掲載誌 :	Nature Plants （ネイチャー プランツ） 2018年1月3日付け掲載
論文タイトル :	Physcomitrella MADS-box genes regulate water supply and sperm movement for fertilization
著者 :	Shizuka Koshimizu, Rumiko Kofuji, Yuko Sasaki-Sekimoto, Masahide Kikkawa, Mie Shimojima, Hiroyuki Ohta, Shuji Shigenobu, Yukiko Kabeya, Yuji Hiwatashi, Yosuke Tamada, Takashi Murata, and Mitsuyasu Hasebe
DOI :	10.1038/s41477-017-0082-9

• プレスリリース 花を作る遺伝子の起源推定に成功
• 大量のオイルを生産する“最強藻類”の秘密を解明―バイオ燃料の実用化に向け有力な手がかり得る―｜東工大ニュース
• 油脂高生産藻の脂質量と組成を改変する技術を開発―藻による油脂やバイオ燃料の生産性向上に期待―｜東工大ニュース
• 貧栄養土壌でも葉と根に油脂蓄積する植物を開発｜東工大ニュース
• 高等植物の雄しべ発達過程を制御する植物ホルモン輸送体を発見｜東工大ニュース
• 藻類の栄養欠乏応答性プロモーターによる脂質蓄積強化を実現｜東工大ニュース
• 藻類から陸上植物への進化をつなぐ車軸藻植物のゲノム配列を解読｜東工大ニュース
• 太田・下嶋研究室 ―研究室紹介 #12―｜生命理工学系 News
• 太田・下嶋研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 太田 啓之 Hiroyuki Ohta
• 生命理工学院 生命理工学系
• 基礎生物学研究所
• 国立大学法人 総合研究大学院大学
• 金沢大学
• 公立大学法人 宮城大学
• CREST
• 研究成果一覧

本学では、2007年よりタイ国立科学技術開発庁およびタイのトップクラス大学と連携し、TAIST-Tokyo Tech（以下、TAIST^※）という修士課程プログラム（自動車工学、組込情報システム、エネルギー資源工学の3分野）をタイで実施しています。

工場見学では、今年は東洋ガラス株式会社の千葉工場を訪問しました。学生たちは、ガラスびんの製造工程を間近で見学し現場の雰囲気を体感するとともに、作業のほとんどがオートメーション化され工場が少人数で運営されている様子に驚いていました。TAIST事業の目的の一つは、タイをはじめとするアジア諸国での理工系分野におけるものつくり人材の育成です。日本のものつくりの最先端技術と現場を体感することができ、TAIST学生にとって最も印象深い体験の一つとなりました。

休日アクティビティでは、TAISTを活用した学生派遣でタイへ短期留学する予定の東工大生と一緒に、お台場を観光しました。来日してまもなく、このアクティビティが行われましたが、学生同士すぐに打ち解け、とても楽しい時間を過ごしたようでした。

プログラムの最後には帰国前報告会が開催され、TAIST学生はTAIST協力教員、受入指導教員、研究室のメンバーらの前で研究成果の発表を行いました。参加者からそれぞれの発表内容について多くの質問がなされ、中には持ち時間が足りなくなる学生もいましたが、議論を通じて今後の課題が明らかになり、帰国後の研究活動への意欲が高まったようでした。続いて行われた懇親会では、皆でこの2ヵ月間について振り返るとともに、今後の活躍へのエールがTAIST学生に送られました。

今回受入れた学生たちは、TAISTを修了後、就職や博士後期課程への進学等、それぞれ次のステージへと進みます。本プログラムで得た経験を活かし、今後世界を舞台に活躍することが期待されます。

※

TAIST（タイスト）：Thailand Advanced Institute of Science and Technologyの頭文字。タイ政府からの要望により、理工系分野での高度な「ものつくり人材」の育成と研究開発のハブを目指して設立。タイにおいて、急速な工業化から派生する諸問題の解決や持続可能な発展に資する研究開発、人材育成を目的としています。

• TAIST-Tokyo Tech｜国際交流TOPICS｜国際交流
• TAIST｜特色ある国際交流の取り組み｜国際交流
• TAIST-Tokyo Tech｜基金による支援事業｜東工大への寄附
• TAIST-Tokyo Tech 学生交流プログラム2016実施報告｜東工大ニュース
• 産学連携シンポジウムをタイで開催｜東工大ニュース
• TAIST学生との交流～日本・タイ高度人材育成ネットワークを強化～｜東工大ニュース
• TAIST学生交流プログラム2015実施報告｜東工大ニュース

※

1月10日9:50 問い合わせ先の電話番号に誤りがあったため、修正しました。

2004年、2006年の開催に続き、3回目となる「東工大-MIT 先進的原子力システム ワークショップ（MT-INES）」が、10月27日にマサチューセッツ工科大学（以下、MIT）で開催されました。

本ワークショップには、東工大とMITの双方から原子力分野の第一線の研究者が出席しました。本ワークショップは、最新の原子力技術革新の研究成果と、東工大とMITの研究力を結集した原子力システムおよび廃炉に関する技術及び企業との連携をテーマに、双方から合計11名の研究者の発表が行われました。

ワークショップ開催に先立ち、本学の安藤真理事・副学長（研究担当）からのビデオメッセージが放映され、MITに対して開催の謝辞と今後のエネルギー問題解決のための期待が述べられました。また、福島第一原子力発電所の廃炉に係る国際廃炉研究開発機構等の日本企業3社からも研究者が出席し、廃炉に係る発表と問題提起が行われました。それらに対して東工大およびMITの研究者から活発な発言があり、問題解決のための深い議論が展開されました。

ワークショップ前日には、東工大およびMITの博士後期課程学生による学生ワークショップが行われ、互いの理解を深めるとともに、東工大生への高い評価が得られました。また、ワークショップ翌日には、MITの原子炉ツアーが開催され、多くの東工大生が参加し、知見を大きく広げる機会を得ました。双方の学生によるさらなる交流が期待されます。

ワークショップ終了後、福島第一原子力発電所の廃炉に向け、東工大とMITと日本企業の共同研究のテーマが複数提案され、問題解決への道筋が示されました。先進的原子力システムと福島第一原子力発電所の廃炉をさらに推し進める技術の確立に向け、三者による共同研究が、今後推進されることが期待されます。

• 東京工業大学 先導原子力研究所
• マサチューセッツ工科大学

要点

• 少量の大豆イソフラボン（AglyMax^[用語1]）摂取により神経切除後の筋萎縮が軽減
• 大豆イソフラボンの筋萎縮抑制はアポトーシス^[用語2]経路を介している可能性
• 加齢性筋減弱症（サルコペニア）^[用語3]の軽減効果に期待

概要

東京工業大学 リベラルアーツ研究教育院の佐久間邦弘教授、ニチモウバイオティックスの天海智博社長、豊橋技術科学大学 環境・生命工学系の田畑慎平院生らの共同研究グループは、食事の0.6%という少量の大豆イソフラボンをマウスに摂取させることで、除神経（神経の切除）に伴う筋萎縮を軽減することに成功した。大豆イソフラボンの摂取はアポトーシスを軽減し、除神経による筋細胞数の減少を食い止めることで筋萎縮を抑制したと考えられる。

超高齢化社会を迎える我が国では、ロコモティブシンドローム^[用語4]の一つである加齢性筋減弱症（サルコペニア）が重要な社会問題になりつつある。サルコペニアを軽減する食品素材として、大豆イソフラボン（AglyMax）が期待できそうだ。

これまでも大豆イソフラボンによる筋萎縮予防効果を報告した研究はあったが、異常な多量（食事の20%）を用いており、人への応用を考える上で問題を抱えていた。

本研究成果は12月13日発行の「European Journal of Nutrition（欧州栄養学会機関誌）」オンライン版に掲載された。

背景

人間の骨格筋は身体の50～60%を占め、運動をするためや、体温を維持するために重要な働きをしている。病気や障害、加齢により骨格筋が萎縮するが、これを軽減するためのサプリメント（食品成分）の探索が行われている。大豆イソフラボンは、筋萎縮を軽減する有効な候補の一つであった。

しかし、筋萎縮予防に効果的であるとしたこれまでの研究は、食事中に20%の大豆イソフラボンを含んでおり、多量過ぎるため、人への応用は不可能だった。少量の大豆イソフラボンを摂取することで、筋萎縮が軽減できるのかどうかについては不明だった。

研究成果

佐久間教授らがマウスを用いて実験した結果、除神経により起こった筋細胞の萎縮程度は大豆イソフラボンを摂取した群で有意に小さいことが分かった。除神経を施した骨格筋細胞内ではアポトーシスが起こり、筋細胞数が減ることで筋萎縮につながる。大豆イソフラボンの摂取は細胞内のアポトーシスの割合を有意に減少させた。したがって大豆イソフラボンの摂取はアポトーシスを抑制し、除神経による筋細胞数の減少を食い止めることで筋萎縮を軽減したと考えられる。

図1.

除神経筋における大豆イソフラボン（AglyMax）摂取の萎縮軽減効果。2週間の除神経を施した条件において、cの通常餌群の筋細胞よりもdのAglyMax餌群の筋細胞が大きい。

図2.

除神経筋における大豆イソフラボン（AglyMax）摂取のアポトーシス抑制効果。2週間の除神経を施した条件において、通常餌群のアポトーシス核（a、b）よりもAglyMax餌群のアポトーシス核（c、d）の頻度が少ない。大豆イソフラボンの摂取はアポトーシスを抑制していると考えられる。

今後の展開

超高齢化社会を迎える我が国では、ロコモティブシンドロームの一つである加齢性筋減弱症（サルコペニア）が重要な社会問題になりつつある。サルコペニアを軽減する薬剤の候補はいくつかあるものの、食品で有効な素材は現在、見当たらない。大豆イソフラボン（AglyMax）の摂取が、サルコペニアを軽減できるのかどうかについて、今後、さらに詳しく検証していく。

論文情報

掲載誌 :	European Journal of Nutrition
論文タイトル :	The influence of isoflavone for denervation-induced muscle atrophy
著者 :	Shinpei Tabata, Miki Aizawa, Masakazu Kinoshita, Yoshinori Ito, Yusuke Kawamura, Minoru Takebe, Weijun Pan, Kunihiro Sakuma
DOI :	10.1007/s00394-017-1593-x

• プレスリリース 少量の大豆イソフラボン摂取で筋萎縮をストップ ―高齢化社会で増える筋減弱症の軽減に期待―
• 第2回大岡山健康講座開催報告│東工大ニュース
• 佐久間研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 佐久間邦弘 Kunihiro Sakuma
• 研究成果一覧

工学院 機械系の鈴森康一教授が、BSフジ「ガリレオX」に出演します。

「ガリレオX」はサイエンステクノロジーに関わる新しい動向や注目の研究を、「深く・わかりやすく・面白く」伝える科学ドキュメンタリー番組です。

放送予定日

• 番組名
  BSフジ「ガリレオX」
• 放送予定日
  2018年1月28日（日）11:30 - 12:00
• （再放送）
  2018年2月4日（日）11:50 - 12:20

関連動画（字幕：英語）

• NHK Eテレ「バリバラ」に工学院の鈴森康一教授と学生が出演｜東工大ニュース
• BS-TBS「夢の鍵」に工学院の鈴森康一教授が出演｜東工大ニュース
• 細く、しなやかな人工筋肉の大学発ベンチャーを設立｜東工大ニュース
• ガリレオX｜BSフジ
• 鈴森・遠藤研究室
• 株式会社s-muscle
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 鈴森康一 Koichi Suzumori
• 工学院 機械系

2017年12月18日、東工大テニュアトラック教員の研究成果発表会が大岡山キャンパス西9号館コラボレーションルームで開催され、学内外から29名の参加がありました。

本学のテニュアトラック制度は、2006年度に設立したグローバルエッジ研究院による試行を経て、2011年度から全学的な運用が始まり、文部科学省科学技術人材育成費補助事業「テニュアトラック普及・定着事業」の支援を受けて実施しています。この制度は教員（講師、准教授）を一定の任期（5年）をつけて採用し、その期間内の研究成果と教育成果などが高く評価された場合に、任期の定めのない教員とする雇用形態です。東工大では、一般的な、助教相当を主対象とした制度とは少し異なる特徴を持っています。独立した研究者（PI）として研究を進める機会が十分に得られるだけでなく、所属する学院・系などのメンターや他の教員との積極的な協調が期待されています。2006年度からこれまでに31名のテニュアトラック教員を採用し、うち11名が本学のテニュアポスト（任期の定めのない職）を獲得しました。

各教員の成果を公正に評価することが極めて重要なことから、この研究成果発表会は審査・評価等の一機会として毎年開催されています。成果発表は英語で行われますが、多様な専門分野等を考慮して、司会進行・質疑応答は英語または日本語にて適宜、柔軟に行うことにしています。

発表会ではこの制度の統括責任者である岡田清理事・副学長（企画・人事・広報担当）が開会挨拶と合わせて、テニュアトラック制度全般について話しました。その後、3名のテニュアトラック教員がそれぞれの研究成果について発表しました。

工学院（機械系）、理学院（物理学系）、生命理工学院（生命理工学系）など、専門分野は広範囲に渡っており、いずれもこの1年間にかなりの進展があったことを示す内容でした。

発表者

• 工学院 田中博人准教授

• 理学院 宗宮健太郎准教授

• 生命理工学院 小寺正明講師

• テニュアトラック制度
• 「東工大テニュアトラック教員 2015年度研究成果発表会」開催報告｜東工大ニュース
• 「テニュアトラック教員 研究成果発表会」開催報告｜東工大ニュース

理学院 化学系の金子哲助教、日本学術振興会（JSPS）の星野翔麻特別研究員、日本学術振興会（JSPS）のミランダ・マルティン・サンティアゴ外国人特別研究員、科学技術創成研究院 ハイブリッドマテリアル研究ユニットの脇坂聖憲研究員の4名が、公益財団法人井上科学振興財団（以下、井上財団）の第34回井上研究奨励賞を受賞しました。

同賞は、理学、医学、薬学、工学、農学等の分野で過去3年の間に博士の学位を取得した37歳未満（申込締切日時点）の研究者で、優れた博士論文を提出した若手研究者に対して贈呈されます。受賞者には賞状、メダルおよび副賞が贈呈されます。

今回は、候補者の推薦を依頼した関係242大学のうち50大学から157件の推薦があり、選考委員会における選考を経て40件が採択されました。

贈呈式は2018年2月2日（金）に開催される予定です。

受賞者

• 研究者詳細情報（STAR Search） - 金子 哲 Satoshi Kaneko
• 理学院｜学院｜組織一覧｜東工大について

• 日本学術振興会
• 理学院｜学院｜組織一覧｜東工大について

• 日本学術振興会
• 理学院｜学院｜組織一覧｜東工大について

• 研究者詳細情報（STAR Search） - 脇坂 聖憲 Masanori Wakizaka
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 (IIR)

関連リンク

• 新着情報 | 井上科学振興財団
• 紋野雄介研究員が第32回井上研究奨励賞受賞｜東工大ニュース
• 玉置悠祐助教と野村龍一WPI研究員が第31回井上研究奨励賞受賞｜東工大ニュース

要点

• 死んだボルボックスに再び鞭毛^[用語1]運動させる“ゾンビ・ボルボックス法”を確立
• ボルボックスの鞭毛運動がカルシウムイオンで制御されることを実証
• ボルボックスは前端部から後端部にかけて鞭毛の性質を変化させることで、走光性や光驚動反応を効率的に行う

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の植木紀子研究員（現・ニューヨーク市立大学ブルックリン校上級研究員・ロックフェラー大学客員研究員）と若林憲一准教授は、多細胞緑藻であるボルボックスが、走光性^[用語2]や光驚動反応^[用語3]などの光に対する行動を示すために、球形の体の前端部から後端部にかけて鞭毛の性質を変えていることを発見した。

ボルボックスは鞭毛を使って水中を泳ぐ生物で、近縁の単細胞緑藻クラミドモナスに似た祖先生物の多細胞化によって進化したと考えられている。

約2億年前という比較的「最近」分岐したことや、祖先種に近いクラミドモナスが現存していることから、ボルボックスは多細胞化進化の研究の良い材料になっている。ボルボックスの約5,000個の細胞間には情報のやりとりが無いにも関わらず、個体として調和のとれた光行動を示す。

今回、この原理を明らかにするために鞭毛の性質を探ったところ、鞭毛は細胞の光受容に伴うCa²⁺（カルシウムイオン）の流入によって運動方向を変化させること、さらに、球のような体の前端部から後端部にかけて、その方向変化の角度が180度から0度まで変化することを突き止めた。ボルボックスは、個体前後で鞭毛の機能を変化させることで、前半球を舵取り、後半球を推進専門にと役割分担させ、巨大な体でも効率的な光行動を示すと考えられる。

この手法では、ボルボックスを界面活性剤処理で形態を保ったまま除膜する。この段階でボルボックスは死に、鞭毛が停止して動かなくなる。ここにATPを添加すると、個体は死んでいるのにも関わらず鞭毛が再び運動を開始して泳ぎだす。この手法は、単細胞生物や多細胞生物から取り出した器官でよく用いられる方法だが、多細胞生物個体まるごとを用いて成功したのは初めてであり、他の多細胞生物の運動メカニズムの検証にも適用できる可能性がある。さらに、鞭毛はヒトの体の様々な器官に生えており、各々は運動調節様式が異なる。この研究成果は、鞭毛運動の異常が原因であるヒトの疾患「原発性不動繊毛症候群」の研究に貢献すると期待される。

この成果は、米国科学アカデミー紀要（PNAS）オンライン版に1月8日に掲載された。

背景

ボルボックス（和名：オオヒゲマワリ）は、淡水に棲む多細胞性の緑藻である（図1左上）。その最も大型のグループの1種ボルボックス・ルーセレティ（Volvox rousseletii）は、直径0.3～1 mm程度の球状の体の表面に約5,000個の細胞が一層の細胞層を形成している。1つ1つの細胞の構造は単細胞緑藻クラミドモナス（図1左下）によく似ており、各細胞は1つの光受容装置である眼点と、2本の鞭毛を持っている。ボルボックスには前後軸があり、約1万本の鞭毛は全て前から後ろに向かって運動する。これが原動力となってボルボックスは前進遊泳を行う。なお、「クラミドモナスが集まってボルボックスになる」、「ボルボックスがバラバラになってクラミドモナスになる」という話を聞くことがあるが、これは完全な誤りで、両者は近縁ではあるが別の生物だ。

眼点は、赤い色素を豊富に含んだ顆粒が積層しているため赤い点のように見える。その直上の細胞膜に光受容タンパク質であるチャネルロドプシン^[用語4]が存在する。これは光を受容すると開く陽イオンチャネルである。この光受容タンパク質と色素顆粒層がペアになっていることで、眼点は非常に指向性が高い光受容を行う（図2）。色素顆粒層は光をよく反射する性質を持つため、細胞の外側から来た光は増幅され、逆に細胞の内側を通ってきた光は遮蔽されて受容体に届かない。さらに、各鞭毛が打つ面は、個体の前後軸に対して少しだけ傾いているため、ボルボックスは遊泳する際にかならず進行方向後方からみて反時計周りに自転する（図1右）。各細胞は光源側を向いたときには光を感受し、個体が半回転して反対側を向いたときには光を感受しなくなる。このように、高指向性光受容と自転遊泳を組み合わせることによって、ボルボックスは光源方向を正確に認識する。

ボルボックスは各細胞の眼点で光を感受したのち、流入した陽イオンがもとになる反応経路によって鞭毛運動調節を行い、2つの光行動を見せる。1つは光驚動反応で、これは急に強い光を浴びたときに遊泳を停止する反応である。もう1つは走光性で、これは光源の方向に向かって、あるいは光源から逃げる方向に向かって遊泳する反応である。ボルボックスは、通常の条件下では主として光源に向かう正の走光性を見せる。これらは最適な光合成環境に移動するための生存戦略であると考えられている。

このとき、鞭毛はどのように動いているのか。以前、植木らは、ボルボックスが光を浴びたとき、前半球の細胞の鞭毛のみが運動方向を逆転させることを見出していた（Ueki et al., 2010 BMC Biol）。光驚動反応を示す際は前半球の鞭毛が前向きに打ち、後半球の鞭毛が後ろ向きに打つことで力が相殺されて個体の遊泳が止まる。走光性を示す際には、前半球かつ光源側の鞭毛だけが運動方向逆転を行うことで光源側と反対側で推進力に不均衡が生じ、光源方向に舵を切ることになる（図3）。

この前後半球の鞭毛の光に対する応答性の違いは、これまで眼点の大きさの違いで説明されてきた（図2）。細胞がもつ眼点は、前端部に近いほど大きく、後端部に近いほど小さい。眼点が大きいほど光感受性が高いと考えられるため、後半球に比べて高い光感受性を持つ前半球の細胞の鞭毛だけが光に応答して運動方向を逆転する、という考え方だ。一方で、眼点の光感受の後に生じる鞭毛運動の方向逆転を起こす調節因子は不明だった。

研究成果

今回研究グループは、鞭毛運動方向逆転の分子メカニズムを探るため、ボルボックスを用いた除膜モデルの試験管内での運動再活性化実験、通称“ゾンビ・ボルボックス法”の確立を試みた。まず界面活性剤処理によって細胞膜を溶解する。当然細胞は死ぬが、鞭毛の内部構造や運動するためのモータータンパク質はその形を留める。そして、ゾンビ・ボルボックスに生体エネルギー源であるATPを加えると、細胞は死んでいるが、鞭毛が再び運動を開始し、ボルボックスが泳ぎだす。これは1930年代にハンガリーのノーベル賞学者アルベルト・セントジェルジらによって行われたグリセリン筋の収縮実験に端を発する生物学の伝統的な手法だ。

この手法の最大のポイントはゾンビ・ボルボックスを入れる溶液の条件を自由に変えられることにある。この手法を用いた一連の実験では、筋肉の収縮や鞭毛運動のエネルギー源がATPであることが直接証明されてきた。ボルボックス鞭毛運動調節因子の第一候補はCa²⁺であり、この手法がボルボックスに適用できればCa²⁺の効果を直接確かめることができる。しかし、この手法は単細胞生物や多細胞生物から取り出した器官に対して適用されてきたもので、ボルボックスのような多細胞生物個体の場合、均一に界面活性剤処理をすることができなかったり、界面活性剤処理で形が崩れたりなど、技術的な高い障壁があった。

研究グループは、金魚すくいの要領でボルボックスを界面活性剤処理する手法を開発した（図4）。細胞ストレイナー（ふるい）の上で泳がせたボルボックスを持ち上げて、界面活性剤の入った溶液に漬け込む。これで個体全体が温和な条件で除膜される。ボルボックスの運動に関与する体細胞は球形の体の表面にあるので、これですべての体細胞は死に、鞭毛は運動を停止する。さらにふるいを持ち上げて界面活性剤のない溶液に漬け込み、ここにATPを加えると、ボルボックスは死んでいるものの、再び泳ぎだすことになる。研究グループはこのゾンビ・ボルボックス実験をさまざまなCa²⁺濃度条件下で行い、鞭毛運動を観察した。

Ca²⁺濃度が高い状態でゾンビ・ボルボックスにATPを加えると、前端部に近い鞭毛は運動方向をほぼ逆転させた（図5上）。これにより、これまで観察されていた鞭毛運動の方向逆転がCa²⁺によることが初めてはっきり示された。さらに興味深いことに、この運動方向変化の大きさには体の前後で違いがあった。前端部付近の細胞はほぼ180度の逆転、赤道面付近の細胞は90度程度、後端部付近の細胞は0度で、ほとんど逆転しなかった（図5下）。

ゾンビ・ボルボックスは細胞膜とともに光受容体を失っているので、光受容を行わない。そのため、この個体における細胞の位置に応じた鞭毛の運動性の違いは、純粋に鞭毛の性質の違いを反映している。つまり、これまで前半球と後半球で異なるのは眼点の大きさだけだと考えられてきたが、鞭毛の性質も異なることが今回初めて分かった。鞭毛打方向の「逆転」と考えられてきたことは、鞭毛打方向の個体の位置に応じた「回転」であった。これらの発見のためには、球状の個体の形を壊さずに、全体を温和に除膜するゾンビ・ボルボックス法の開発が不可欠だった。

つまり、ボルボックスの細胞は、第一に眼点の大きさ、第二に鞭毛のCa²⁺応答性という2段構えの前後分化をしている。このことにより、前端部に近い細胞ほど個体に対してブレーキや舵取りを行う機能が高くなり、後端部に近い細胞ほど「何があっても前に進む」という推進力に特化していると言える。もしこの前後分化がなく、全ての細胞が同じ程度の光感受性と鞭毛打方向逆転能しかもっていなければ、横から光を受けた場合、個体はその場で回るだけで走光性は示せない。ボルボックス細胞の前後分化は、多細胞化によって巨大化した体で高い推進力を得ると同時に、単細胞緑藻のように機敏な光行動を行うために獲得した重要な機能であると考えられる。

今後の展開

ボルボックス目の緑藻は、単細胞性のクラミドモナスや約5,000細胞のボルボックス・ルーセレティだけでなく、中間の細胞数の多細胞種が多数現存している興味深い生物群だ。今回の手法を中間細胞数の藻類にも適用することで、多細胞化による光行動システムの変遷を探ることができる。

今回開発した“ゾンビ・ボルボックス法”は、さまざまな多細胞生物を温和に除膜モデル化するのに役立つ。藻類に限らず、多様な生物の運動システムの研究に貢献すると期待される。

Ca²⁺による鞭毛の運動調節は、ヒトを含めた多様な生物で見られる。ヒトの体内には、脳室、気管上皮、輸卵管上皮、精子など、さまざまな器官に鞭毛（繊毛）が生えている。これらの運動調節が異常になると、慢性呼吸器疾患や不妊症などのさまざまな疾患を誘起する。今後、この手法を用いて鞭毛運動調節の分子機構をさらに詳しく研究することで、鞭毛運動不全によるヒトの疾患である「原発性不動繊毛症候群」などの理解に貢献すると期待される。

論文情報

掲載誌 :	Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, in press.
論文タイトル :	Detergent-extracted Volvox model exhibits an anterior–posterior gradient in flagellar Ca2+ sensitivity
著者 :	Noriko Ueki and Ken-ichi Wakabayashi
DOI :	10.1073/pnas.1715489115

• プレスリリース ボルボックスの鞭毛が機能分化していることを発見 ―ボルボックスのゾンビ化実験で判明―
• 久堀・若林研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 若林憲一 Ken-ichi Wakabayashi
• 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所
• 生命理工学院 生命理工学系
• 研究成果一覧

概要

生命の設計図であるDNAは非常に長い“糸”で、細胞核の中で様々なタンパク質と結合し、染色体を形成しています。染色体は細胞が分裂する毎にコピーされ、分配されます。染色体はコピーされた直後、物理的に接着しています（姉妹染色分体間接着）。この染色体の物理的接着がなくなると染色体が正確に分配されなくなることがわかっています。この染色体の物理的接着には「コヒーシン^[用語1]」と呼ばれるリング状のタンパク質の働きが重要です（図1）。コヒーシンはDNAと直接結合することがわかっていますが、姉妹染色分体を接着する仕組みはわかっていませんでした。

情報・システム研究機構 国立遺伝学研究所の村山泰斗准教授と東京工業大学の岩崎博史教授らの研究グループは、コヒーシンを細胞から分離精製し、コヒーシンとDNAの複合体の形成を試験管内で再現することにより、コヒーシンによる姉妹染色分体接着の仕組みの一端を明らかにしました。コヒーシンは「結束バンド」のように2本のDNAを束ねることがわかったのです（図1）。

本成果によりコヒーシンの性質を詳細に明らかにしたことが、コヒーシンの機能欠損が原因とされている様々な疾患や不妊の原因解明に繋がると期待されます。

本研究成果は、2018年1月18日 （米国東部時間） に米国科学雑誌「Cell」に掲載されました。

研究の背景

コヒーシンは、姉妹染色分体間接着をはじめ、染色体の重要な高次構造を形成するうえで中心的な役割を担っています。コヒーシンは大きなリング状のタンパク質複合体です。このリング状のかたちによって、リングの内側に通すようにしてDNAと結合することがわかっています（図1）。しかしながら、コヒーシンがどのようにDNAをリングの内側に通すのか、そしてこの結合を使ってどのように姉妹染色分体間接着を形成するのか、についてはわかっていませんでした。

本研究の成果

コヒーシンを細胞から精製し、コヒーシンとDNA結合の反応を試験管内で再現することによって、そのメカニズムを解明することが、本グループの重要なテーマです。これまでに、コヒーシンがDNAをリングに通す反応と、その後のDNAを放出する反応を再現することに成功し、その分子メカニズムの一端を明らかにしてきました。

本研究では、細胞から分離精製したコヒーシンを使って、コヒーシンとDNAとの結合反応を試験管内で再現し、その過程を詳細に調べました。その結果、コヒーシンはリングの内側に通すようにしてDNAと結合した後、さらにこの状態で別のDNAとも同じようにリングの内側に通すようにして結合することがわかりました。言い換えると、コヒーシンは「結束バンド」のように2本のDNAを束ねるようにしてDNAと結合しうるのです（図1）。このDNA–コヒーシン–DNAのつなぎ留めが2つの姉妹染色分体の間で起これば、姉妹染色分体の間で接着が形成されることになります。

今後の期待

染色体の構造は、コヒーシン以外にも複数種のリング構造をした構造体（SMC複合体^[用語2]）によって形成されています。これらSMC複合体の機能異常および低下は コルネリア・デ・ランゲ症候群などの難病の原因となる他、がんや不妊の一因であるとも考えられています。今後は、コヒーシンに加え、他のSMC複合体の性質を調べることで、基礎生物学の研究の発展を通して、これらのSMC複合体の機能欠損が原因とされている様々な疾患や不妊の原因解明に貢献することが期待されます。

本研究は、情報・システム研究機構 村山泰斗准教授、黒川裕美子研究員、東京工業大学 岩崎博史教授、英国フランシス・クリック研究所 Frank Uhlmannグループとの共同研究としておこなわれました。

尚、Uhlmann博士は、東京工業大学のWRHI^※特任教授でもあります。

本研究は、科学研究補助金 (16H06160、16H01404、15H059749)、日本分子生物学会 若手研究助成 富沢純一・圭子基金の支援を受けておこなわれました。

※

WRHI（ワールド・リサーチ・ハブ・イニシアティブ）：海外から世界トップレベルの研究者を招へい（または雇用）し、国際共同研究を推進する6年間のプロジェクト。

論文情報

掲載誌 :	Cell
論文タイトル :	Establishment of DNA-DNA Interactions by the Cohesin Ring（コヒーシンによるDNAとDNAの間の接着の形成）
著者 :	Yasuto Murayama, Catarina P. Samora, Yumiko Kurokawa, Hiroshi Iwasaki and Frank Uhlmann（村山 泰斗, Catarina P. Samora, 黒川裕美子, 岩崎博史, Frank Uhlmann）
DOI :	10.1016/j.cell.2017.12.021

• プレスリリース 姉妹染色分体間接着の形成機構を解明 ―コヒーシンはDNAの結束バンド !?―
• 相同組換えのDNA鎖交換の素過程を世界で初めて解明｜東工大ニュース
• 遺伝子撹拌装置をタイミング良く染色体から取り外す仕組み｜東工大ニュース
• 葉緑体増殖の基礎的しくみを解明―葉緑体分裂・増殖時にDNA分配を制御する酵素の発見―｜東工大ニュース
• 大隅栄誉教授率いる細胞制御工学研究センターを設置｜東工大ニュース
• 岩崎研究室 ―研究室紹介 #11―｜生命理工学系 News
• 岩崎博史教授が2016年日本遺伝学会木原賞を受賞｜東工大ニュース
• 岩崎研究室
• 岩崎博史（Hiroshi Iwasaki）｜研究者検索システムSTARサーチ
• UHLMANN FRANK（ウルマン フランク）｜研究者検索システムSTARサーチ
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センター
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 (IIR)
• 生命理工学院 生命理工学系
• 情報・システム研究機構
• 日本分子生物学会 富澤基金による若手研究助成
• 研究成果一覧

ポイント

• グリーンランドで約90 mのアイスコア掘削に成功し、氷床アイスコア最高の年代精度で過去60年の北極大気環境を復元。
• 21世紀の北極硝酸エアロゾル^[用語1] フラックス^[用語2]が、周辺国のNOx（窒素酸化物）^[用語3]の排出抑制政策による減少割合を反映しておらず、産業革命以後に増大して以来高い値を維持していることを解明。
• 21世紀の硝酸エアロゾルの状況把握・原因究明は、将来の環境変動への影響評価に重要。

概要

北海道大学 低温科学研究所の飯塚芳徳助教及び東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の服部祥平助教らの研究グループは、21世紀になってからの北極の硝酸エアロゾルフラックス（流束）が、周辺国によるNOx（窒素酸化物）の排出抑制政策を反映せず高い値を維持していることを明らかにしました。

同グループは北極グリーンランド氷床にいくつかある頂上（ドーム）のうち、最も雪が多く降る南東部で約90 mのアイスコア掘削に成功し、氷床ドームアイスコア史上最高の年代精度で過去60年間の北極大気環境を復元しました。このアイスコアに含まれる過去60年間のNO₃^-（硝酸イオン）の季節フラックスの変動を求め、各国からのNOx排出量の変動割合と比較したところ、両者は一致していませんでした。NOx排出量は1970～80年以降、減少傾向を示していますが、アイスコアのNO₃^-フラックスは1990年代が最も高く、2000年以降（21世紀）は1960～80年代よりも高いという特徴があります。

今回の結果は、北極大気のNO₃^-フラックスが周辺国（米国や欧州）における排出抑制政策によるNOxの減少割合を反映せず、高い値を維持していることを示しています。今後、北極NO₃^-フラックスがNOx排出量と連動せず高い値を維持している原因と、将来の人間活動への影響を評価する必要があります。

本研究成果は2つの論文に分かれています。これらは2017年10月26日と2018年1月4日（Web版）のJournal of Geophysical Research: Atmospheres誌に掲載されました。

背景

大気微粒子（エアロゾル）は、その一部が直径2.5 µm以下の微粒子（PM2.5）として人体に悪影響を及ぼすことが知られています。また、エアロゾルは大きな粒子になると雲の核として作用し、雲を作りやすくする効果があり、結果として雲が日射を遮り地球表面を寒冷化させることが知られています。SOx（硫黄酸化物）^[用語4]やNOx（窒素酸化物）は、大気中で酸化され硫酸・硝酸エアロゾルを形成するため、その動態の理解はエアロゾル動態の理解の上で重要です。SOxは海洋生物や火山から、NOxは雷、成層圏、森林火災、土壌生物から放出されてきました。しかし、特に産業革命以後に北半球では人間活動（化石燃料の使用）の増加によってSOxやNOx濃度が上昇したことが知られています。

イギリスに産業革命が起こった1750年から1980年くらいまで、SOxやNOxの排出は右肩上がりに上昇しました。特に、1970年代や80年代は世界的に環境汚染が問題となり、国内でも公害問題などが顕在化した時代でした。この頃、大気汚染だけではなく、増加したエアロゾルにより太陽光が遮られるグローバルディミングと呼ばれる寒冷化が生じていたと言われています。

その後、例えば米国では1963年に定められ、1970年、1977年に改訂された大気浄化法 （Clean Air Act）などによりSOxやNOxの排出規制が強化され、これにより1990年以降SOxやNOxの排出量は減少しています（図1）。これに対し、新興国である中国やインドなどでは近年も減少傾向はみられていません。このように、各国でSOxやNOxの排出量の傾向には差異があり、大気環境問題に大きく関わるSOxやNOxがどのような変遷をたどるかを理解することが重要です。

これらの動向を評価する有力な取り組みとして、過去から現在までのSOxやNOxの変遷を解読し、そのメカニズムを理解することで将来予測に役立てる方法があります。寒冷圏の雪氷は年々の堆積を通じてSOxやNOxがSO₄^2-（硫酸イオン）やNO₃^-（硝酸イオン）として保存されている貴重な自然のタイムカプセルです。なかでも北極グリーンランド氷床は欧州や米国などの人為起源SOxやNOx排出地域と近いことから、人為起源エアロゾル変遷の評価に最適な地域です。このような評価をするために、氷床を垂直下向きに掘削して氷を採取しており、この採取された氷をアイスコアといいます（図2）。アイスコアは表面付近が現在に近い降雪で、深い部分がより過去に降った雪からなっており、深部から浅部にむかって解析すると過去から現在まで連続に時系列的な情報（古環境情報）を得ることができます。

しかし、アイスコアから古環境情報を抽出するのには大きく2つの問題があります。一つ目の問題は、ある深さのアイスコアが何年前に降った雪か精度よく知ることが難しい場合があることです。これをアイスコアの年代決定といいますが、これまでは夏に増加（または減少）する成分を数え、その成分が増加（減少）していた深さを夏と決め、夏層を数えて年代を決定する年層カウント法が主に用いられてきました。この年代決定方法は、増加している部分が年に2回生じたり、または1回もなかったりすると年代が1年ずれてしまう欠点があります。二つ目の問題は、NO₃^-は揮発しやすく長期間の日射で分解してしまうため、積雪が堆積した後にNO₃^-が変質してしまって降雪時の情報が損失してしまうことがあることです。この変質を再配分過程と呼んでおり、再配分過程はアイスコアから精度よく古環境情報を解読することを妨げる要因でした。

南極氷床やグリーンランド氷床の標高の高い地域は寒く、雪が融けずに涵養していく場所ですので、雪が降る量を涵養量と呼んでいます。涵養量が多いということは、1年間に降り積もる雪が多いのでアイスコアの1年あたりの長さが長いということになり、精度の良い年代決定を行える可能性が高くなります。さらに、たくさん雪が降るということは、次々と新しい雪が堆積するので、積雪表面に雪が置かれている時間が短いということになります。表面に置かれている時間が短いと、アイスコアに含まれている物質が揮発や日射などの再配分の影響を受ける時間が短くなり、年代決定の高精度化につながります。

そこで、本研究では北極グリーンランド氷床にいくつかある頂上（ドーム）のうちで、最も雪が多く降る地域に着目して、アイスコア掘削を行いました。次に、掘削されたアイスコアに含まれる過去60年間のSO₄^2-やNO₃^-の年間フラックスを求めました。得られた結果を各国からのSOxやNOxの排出量と比較し、北極大気まで運ばれグリーンランドに堆積したSOxやNOxの動向を追跡しました。

研究手法

2014年から開始したプロジェクトのもと、人為起源エアロゾル変遷の評価に最適なグリーンランド氷床のなかで、最も涵養量が多いドームを調査し、南東部に位置するドーム地域を選定しました（図3）。本研究グループは、この地域を「グリーンランド南東ドーム」と呼んでいます。2015年にはグリーンランド南東ドームで90 mのアイスコアを掘削し、北海道大学 低温科学研究所の低温室への冷凍輸送に成功しました。2016年からは、グリーンランド南東ドームアイスコアを解析してきました。

本プレスリリースに大きく貢献した解析項目は、水循環のプロセスを反映する「水の安定同位体比」と、「不純物（イオン）濃度」です。イオン濃度はアイスコアを溶かした融解水の中に含まれているイオンの濃度を意味します。イオンの中にはSO₄^2-やNO₃^-も含まれていて、これらを分析しました。本リリースのもとになる2つの論文に加えて、2018年度のプロジェクトの終了まで、他の指標の分析・研究も継続しています。

研究成果

グリーンランド南東ドームアイスコアを分析したところ、過去60年間の環境変動を記録していることがわかりました。近年60年間の涵養量は1年に氷の密度換算で約1.01 mであることがわかり、この数値は平均的なグリーンランドドームの5倍、南極ドームの30倍という膨大な量の降雪がある地域であることが判明しました。この膨大な雪のおかげで、過去60年間の水の安定同位体比は極めて良質に保存されていることがわかりました。

水の安定同位体比は、海からの蒸発、降雪などの水循環のプロセスを反映しています。近年、この同位体比を数値計算によってシミュレーションする手法（以下、同位体モデル）が急速に発展してきています。具体的には、海水温・大気場などの情報を基にして、ある地域の降雪の同位体比の値をシミュレーションできます。複数の同位体モデルを用いて、グリーンランド南東ドームの同位体比と比較したところ、モデルとアイスコアの同位体比が極めてよく一致することがわかりました。同位体モデルからいつの降雪であるかがわかりますので、モデルとアイスコアの同位体比をマッチングさせることで、アイスコアの年代を決定することができます。その結果、2ヵ月単位という氷床ドームアイスコアとしての最高精度での年代決定に成功しました。（成果論文1 Furukawa et al., 2017）

イオン濃度を分析した結果、NO₃^-が積雪堆積後に変質を受けていないことを確認しました。これは、日射の影響を受けやすい表面20 cm以内にNO₃^-がさらされる期間が、涵養量が大きいために1ヵ月程度と短かく、日射による分解を受けにくいためです。この結果は、グリーンランド南東ドームアイスコアは他の地域のアイスコアと比べて、NO₃^-の変遷を高い確度で追跡できることを示しています。

また、2ヵ月という高精度で年代を決定できたので、季節変動を追跡できるようになりました。イオン濃度と季節ごとの涵養量をかけ合わせることで、その季節に堆積するイオンのフラックス（流束）を算出することができます。そこで、過去60年間のSO₄^2-やNO₃^-フラックスの季節変動を復元しました（図4）。SO₄^2-フラックスは1980年から減少傾向を示しています。他方で、NO₃^-フラックスは1990年代が最も高く、2000年以降（21世紀）は1960～80年代よりも高いことがわかりました（成果論文2 Iizuka et al., 2018）。

図4.

グリーンランド南東ドームアイスコアから復元された北極大気NO₃^-、SO₄^2-フラックス（黒）と、後方流跡線解析と各地域からの排出量を加味して予測された南東ドームにおけるNOx、SOxの変動割合（赤）の比較

グリーンランド南東ドームにどこから空気塊がやってきているのかを、後方流跡線解析という手法を用いて計算しました。その結果、北米が最も高い割合で、欧州やロシアからもある程度の割合で大気塊がやってきていることがわかりました。各国ともSOxやNOxの排出量が公開されていますので、各国の排出量と大気塊がやってくる割合を掛け合わせて、グリーンランド南東ドームに到達するであろうSOxやNOxの量を計算しました。

SOx排出量とアイスコアのSO₄^2-フラックスを比較したところ、過去60年間の変動はよく一致していました（図4）。これは、SO₄^2-フラックスがおもに上述した周辺国からのSOx排出量によると考えられます。米国や欧州はSOx排出量の削減に取り組んでおり、その効果が北極大気でもよく表れていることを示しています。しかしながら、NOx排出量とアイスコアのNO₃^-フラックスの過去60年間の変動はあまり一致していませんでした。特に、NOx排出量は1970～80年以降、減少傾向を示していますが、アイスコアのNO₃^-フラックスは1990年代が最も高く、2000年以降（21世紀）は1960～80年代よりも高いという特徴があります。米国や欧州はSOxと同様にNOx排出量の削減に取り組んでいるのですが、今回の結果は北極大気のNO₃^-フラックスが、周辺国のNOxの排出抑制による減少割合を反映せず高い値を維持していることを示しています。（成果論文2 Iizuka et al., 2018）

今後への期待

なぜ北極NO₃^-フラックスが高い値を維持しているのかについて、はっきりとしたことはわかりません。SOx排出量とアイスコアのSO₄^2-フラックスがよく一致しているSOxと比べてNOxは大気輸送中の化学変化がより複雑であるため、というのが最も確からしい回答です。もしくは21世紀以降の中国やインド、船舶（海洋）からのNOxの影響かもしれません。自然由来の森林火災（バイオマスバーニング）によるNOxが関係している可能性もあります。本研究グループは国内の10機関以上の研究室と連携し、たとえば硝酸中の窒素（N）の同位体比やNO₃^-がどのような化合物で存在しているのかを世界最先端の分析機器を用いて調べ、この謎の解明を続けています。また、エアロゾル輸送モデルなど数値計算によるアプローチでの解決も期待されています。こういった分析結果から新しい視点でSOxやNOxの動向を探ることが、解決につながります。

原因が不明であるにせよ、北極大気のNO₃^-フラックスが、周辺国のNOxの排出量の減少に単純に比例せず高い値を維持しているという事実が明らかになりました。この結果は、北極のNO₃^-フラックスの変動を予測するためには、化学反応も含めた輸送プロセスを考慮する必要があることを示唆しています。また今後は、北極NO₃^-フラックスがNOx排出量と連動せず高い値を維持していることが将来の人間活動にどう影響するのかを評価する必要があります。

謝辞

本研究は2014年度から2018年度（予定）の科学研究費補助金（基盤研究A 26257201）の他、服部助教が代表を務める科学研究費補助金（若手研究A 16H05884）の支援を受けて行われました。また、この成果は北海道大学 低温科学研究所の共同研究費を用いています。

論文情報

掲載誌 :	Journal of Geophysical Research: Atmospheres（大気科学の専門誌）
論文タイトル :	Seasonal-scale dating of a shallow ice core from Greenland using oxygen isotope matching between data and simulation（モデルとアイスコア間の同位体マッチングによる季節スケールのアイスコア年代決定）
著者 :	古川崚仁1、植村立2、藤田耕史3、Jesper Sjolte4、芳村圭5、的場澄人1、飯塚芳徳1
所属 :	1北海道大学 低温科学研究所、2琉球大学 理学部、3名古屋大学 大学院環境学研究科、4ルンド大学（スウェーデン）、5東京大学 生産技術研究所
DOI :	10.1002/2017JD026716

論文情報

掲載誌 :	Journal of Geophysical Research: Atmospheres（大気科学の専門誌）
論文タイトル :	A 60 year record of atmospheric aerosol depositions preserved in a high-accumulation dome ice core, southeast Greenland（グリーンランド南東部の高涵養量ドームに保存された過去60年間の大気降下物の記録）
著者 :	飯塚芳徳1、植村立2、藤田耕史3、服部祥平4, 関宰1, 宮本千尋5、鈴木利孝6, 吉田尚宏4, 本山秀明7、的場澄人1
所属 :	1北海道大学 低温科学研究所、2琉球大学 理学部、3名古屋大学 大学院環境学研究科、4東京工業大学 物質理工学院、5東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻、6山形大学 学術研究院、7国立極地研究所）
DOI :	10.1002/2017JD026733

• プレスリリース 北極の硝酸エアロゾルはNOx排出抑制に関わらず高止まり ―過去60年のグリーンランド氷床に記録された北極大気NO₃^-フラックスの変遷―
• 南極大気の歴史をひも解く新たなアプローチ ―硫酸と硝酸の三酸素同位体組成の変動から―｜東工大ニュース
• 地球寒冷化を引き起こす大規模火山噴火の特定が可能に｜東工大ニュース
• 服部祥平助教が日本地球化学会奨励賞を受賞｜東工大ニュース
• 吉田研究室
• 服部祥平助教のウェブページ
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 服部祥平 Shohei Hattori
• 物質理工学院 応用化学系
• 北海道大学 低温科学研究所
• 研究成果一覧

要点

• 圧電薄膜の機械振動を利用したシンプルな超小型原子時計システムを提案
• チップ面積を約30%減、消費電力を約50%減、周波数の安定度も1桁以上の改善を実現
• GPS衛星レベルの超高精度周波数源を、スマートフォンなどの汎用通信端末へ

概要

国立研究開発法人 情報通信研究機構（NICT、理事長: 徳田英幸）電磁波研究所 原基揚主任研究員等は、国立大学法人 東北大学（東北大、総長: 里見進）大学院工学研究科 機械機能創成専攻 小野崇人教授、国立大学法人 東京工業大学（東工大、学長: 三島良直）科学技術創成研究院 未来産業技術研究所 伊藤浩之准教授と共同で、従来の複雑な周波数逓倍^[用語1]処理を必要としないシンプルな小型原子時計^[用語2]システムの開発に成功しました。

本研究では、圧電薄膜^[用語3] の厚み縦振動を利用し、原子時計の小型化に適したマイクロ波発振器を提案しています。薄膜の厚み縦振動は、高い周波数で機械共振を得ることが容易であり、GHz（ギガヘルツ）帯にある原子共鳴の周波数に対して、そのまま同調動作できます。そのため、今まで必要だった水晶発振器や周波数逓倍回路を完全に省略することができ、大幅な小型・低消費電力化が実現されます。さらに、本システムでは、半導体加工技術を応用し、小型化と量産性に優れる小型のルビジウムガスセル^[用語4]を独自に開発、動作パラメータを最適化することで、周波数の安定性を格段に改善しました。

本技術が実用化されれば、これまで人工衛星や基地局に限定的に搭載されていた周波数・時刻標準である原子時計を、スマートフォンなどの汎用の通信端末に搭載することも夢ではありません。

背景

今回の成果

今回、我々のチームは、原子時計の小型化に向け、GHz帯で良好な共振が得られる圧電薄膜の厚み縦振動に着目しました。この振動を利用することで、水晶発振器と周波数逓倍回路を必要としないシンプルなマイクロ波発振器の開発に成功しました（図1、2参照）。これにより、原子時計システムの大幅な小型化と低消費電力化が実現され、市販の小型原子時計と比較した場合、チップ面積を約30%、消費電力を約50%抑制することが可能になります。

また、アルカリ金属元素から共鳴を取得する場合、アルカリ金属は気体状態にあることが必要となり、窓の付いたケースに封じ込めて、レーザによる観察を行う必要があります。従来はガラス管を利用しましたが、これでは、小型化と量産性に課題があります。そこで、我々は、ウェハープロセスで製造可能な小型のルビジウムガスセルを独自に開発しました。この小型ガスセルを、先のマイクロ波発振器と組み合わせて同調動作（原子時計動作）させると、1秒間で10^-11台の周波数安定度が得られました。これは、市販の小型原子時計と比較して1桁以上の性能改善となり、優れた安定性を示しているといえます。

本成果の実用化は、原子時計システムを大幅に小型・低消費電力化し、今まで人工衛星や限られた通信基地局にのみ搭載されていた原子時計を、スマートフォンなどの汎用通信端末に搭載することを可能にします。これは、単なる通信端末の利便性向上に寄与するだけでなく、高い同期精度が求められるセンサ・ネットワークからの情報取得や、GPS電波が安定しない厳しい環境でのロボット制御（屋内ドローンや潜水システム）にも適しており、新たな市場の創出が期待されます。

今後の展望

マイクロ波発振回路の簡略化による今回の成果を踏まえ、今後は、ディジタル制御系の簡略・省略化に着手し、更なる低消費電力化を、2019年を目途に実施します。また、高密度実装に適した光学系を有するガスセルの開発も同年を目途に進める予定です。我々は、このような原子時計のチップ化に向けた取組を加速していき、早期のサンプル提案を目指しています。

また、本報告の内容は、世界最大のマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）^[用語6]に関する国際学会「The 31st IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems（MEMS 2018）」（2018年1月21日（日）～25日（木）、英国ベルファスト）にて発表されます。

発表情報

国際会議 :	The 31st IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems（MEMS 2018）
タイトル :	Micro Atomic Frequency Standards Employing an Integrated FBAR-VCO Oscillating on the 87Rb Clock Frequency without a Phase Locked Loop （PLL回路を用いないで87Rb時計周波数にて発振するFBAR-VCOを利用した小型原子周波数標準）
著者 :	Motoaki Hara（原基揚, NICT）, Yuichiro Yano（矢野雄一郎, NICT）, Masatoshi Kajita（梶田雅稔, NICT）, Hitoshi Nishino（西野仁, 東北大）, Yasuhiro Ibata（井端泰大, 東北大）, Masaya Toda（戸田雅也, 東北大）, Shinsuke Hara（原紳介, NICT）, Akifumi Kasamatsu（笠松章史, NICT）, Hiroyuki Ito（伊藤浩之, 東工大）, Takahito Ono（小野崇人, 東北大）, Tetsuya Ido（井戸哲也, NICT）

補足資料：今回開発した原子時計システム

近年、原子周波数標準の小型化が注目を集めている。本研究では、原子時計システムへの組込みを目的として、3.5 GHz帯にて優れた共振動作を示す圧電薄膜共振子（Thin Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR）を周波数リファレンスとして採用、水晶発振器を除したマイクロ波発振器の開発を行った。このFBARを用いたマイクロ波発振器の開発は、従来、必須であった外付け部品となる水晶発振器やPLL（Phase Locked Loop）を用いた周波数逓倍処理を不要にし、ボード面積と消費電力との大幅な抑制に寄与する。我々は、さらに、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた小型ルビジウムガスセルの試作を実施し、当該小型セルとFBARマイクロ波発振器とを組み合わせて、短期安定度2.1×10^-11@1秒の原子時計動作に成功した。本成果は、原子時計システムを大幅に小型・低消費電力化し、今まで、人工衛星や限られた通信基地局にのみ搭載されていた原子時計を、スマートフォンなどの汎用通信端末に搭載することを可能にする。これは、単なる通信端末の利便性向上だけではなく、高い同期精度が求められるセンサ・ネットワークからの情報取得や、GPS電波が安定しない環境でのロボット制御（屋内ドローンや潜水システム）にも新たな市場創出の機会を与える。

原子時計の小型化は、欧米を中心に各国で検討されている。しかし、これらは単に大量のチップ部品を高密度実装したモジュールであり、スマートフォンやワイヤレスセンサーノードのような汎用無線端末に採用されるチップ部品には、コスト・サイズ・消費電力の観点から遠く及ばない。この小型原子時計の先行研究において、小型化と低消費電力化のボトルネックとなっているのがマイクロ波制御系であり、特に外付け部品となる水晶発振器やPLL（Phase Locked Loop）を用いた周波数逓倍処理はボード面積と駆動電力の大きな消費源である。

本研究では、圧電薄膜の厚み縦振動を利用し、原子時計の小型化に適したマイクロ波発振器を提案する。薄膜の厚み縦振動は高い周波数で機械共振を得ることが容易であり、GHZ帯にある原子共鳴と直接に同調動作させることが可能である。これにより、水晶発振器や周波数逓倍回路を完全に省略することができる。図3は、厚み縦振動を利用した機械共振子であるFBARと、それを連続自立発振させるための半導体チップ（増幅器）とをワイヤ実装したものである。現状、FBARと半導体チップは個別実装されているが、共にシリコン基板上に作製される素子であり、将来的には一つに集積され得る。図4は、上記のマイクロ波発振器の開発に合わせて試作された小型ルビジウムガスセルである。当該セルは、従来のガラス管を利用したセルとは異なり、ウェハープロセスで試作され、小型化と量産性に優れ、製造コストの圧縮に寄与する。

図5は、FBARを用いたマイクロ波発振器の諸特性である。図5（a）において、ピークを示す周波数が発振点であり、ルビジウム（Rb）の遷移周波数に相当する3.4 GHz帯での良好な発振が確認される。位相雑音は、発振周波数を基点としたオフセット周波数での雑音電力であり、発振の質を評価する重要な指標である。図5（b）より、1 MHzオフセットにて位相雑音は、140 dBc/Hz、発振器の性能指数（FoM）に換算して-201 dBの良好な発振を示すことがわかる。

図6は、図4に示したガスセルを用いて⁸⁷RbのCPT共鳴を計測した結果である。共鳴ピークは制御の観点から、細いことが望まれる。図6より、不活性ガス（ここでは窒素）の導入によって、共鳴線幅が大幅に改善されることが確認される。これは、不活性ガスが⁸⁷Rb原子のセル壁面への衝突を緩和するためである。

図7は、発振器を図6の狭線なCPT共鳴に同調動作（原子時計動作）させたときの周波数安定度である。ここでは、参考のため、発振器を単純に自立発振させたときの安定度も付記している。原子時計動作により、周波数安定度を示すアラン分散が0（周波数分散の無い状態）に近づいていくことがわかる。実測された平均時間1秒でのアラン分散（短期周波数安定度）は2.1×10^-11 であり、これは市販されている小型原子時計と比較して1桁優れた値である。

• プレスリリース 原子時計をスマートフォンに搭載できるくらいの超小型システムへ ―圧電薄膜の機械振動を利用し、チップ化に向けて大きく前進―
• 高周波圧電共振器の課題を解消する回路技術を開発―IoT時代に向けた無線通信システムの小型化・低コスト化・高速化を実現へ―│東工大ニュース
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 伊藤 浩之 Hiroyuki Ito
• 益・伊藤研究室 ―研究室紹介 #2―│電気電子系 News
• 益・伊藤研究室
• 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所
• 科学技術創成研究院
• 国立研究開発法人 情報通信研究機構（NICT）
• 東北大学
• 工学院 電気電子系
• 研究成果一覧

ポイント

• 金属間化合物LaCoSiが高い触媒活性を実現した。
• ルテニウムなどの貴金属微粒子の担持を必要としない。
• 活性化エネルギーが極めて低く新しい反応機構が示唆された。

JST戦略的創造研究推進事業において、東京工業大学 細野秀雄教授、多田朋史准教授、北野政明准教授らは、高エネルギー加速器研究機構（KEK）の阿部仁准教授らと共同で、貴金属を使わない高性能のアンモニア合成触媒を開発しました。

温和な条件下でアンモニア合成を可能とする触媒は、オンサイトでの合成プロセスを実現するための鍵となります。高温・高圧を必要とするハーバー・ボッシュ法には鉄系触媒が工業的に使われ、より温和な条件下での合成にはルテニウム触媒が研究されています。

今回、ルテニウムなどの貴金属の担持^[用語1]を必要としない高活性触媒を開発しました。電子が陰イオン（アニオン）として働く“電子化物（エレクトライド）^[用語2]”のコンセプトを拡張することで新触媒を検討し、ランタンLaとコバルトCoの金属間化合物^[用語3]LaCoSiが貴金属を用いずに高い活性を示すことを見いだしました。

コバルトはルテニウムに次ぐ活性を持つことが知られていましたが、LaCoSiはこれまで報告されてきたコバルト系触媒でアンモニア合成において最高の活性を示します。LaCoSi内でのLaからCoへの電子供与が明らかにされ、それが高活性発現の鍵と考えられます。

また、この触媒を用いた反応の活性化エネルギーは同グループが2012年に開発したルテニウム担持C12A7エレクトライド触媒よりもさらに低いものでした。つまり、LaCoSiは従来の触媒に比べ窒素分子の切断（開裂）をより速やかに行うことができ、より低温でのプロセスに有利です。この低い活性化エネルギーは、第一原理分子動力学計算^[用語4]などの解析結果から、窒素分子が触媒表面に吸着した際に窒素分子の振動が励起状態にあり、そこから原子への開裂が生じる、窒素分子の新しい活性化機構が示唆されました。

本研究成果は、2018年1月22日16時（英国時間）に科学誌「Nature Catalysis」のオンライン速報版で公開されました。

本成果は、以下の事業・研究開発課題によって得られました。

研究の背景と経緯

肥料や多くの化成品に使われるアンモニアは、100年あまり前に確立された鉄系触媒を使うハーバー・ボッシュ法を使って大部分が生産されています。このプロセスは高温・高圧に耐える大型の設備を必要とします。一方、近年アンモニアを欲しい場所で、大型の設備を使わずに生産するオンサイト合成というニーズが出てきています。それを実現するには、温和な条件下で効率的に機能する新しい触媒が必要とされていました。

これまでルテニウムの微粒子を酸化物やカーボン上に担持した触媒がこの目的のためによく研究されてきました。しかし、ルテニウムは貴金属であり、また、ルテニウム系触媒では、水素の圧力が高くなると活性が低下してしまう「水素被毒」と呼ばれる問題が起こります。

研究グループは、2012年に安定な電子化物C12A7：eにルテニウムのナノ粒子を担持したものが、温和な条件下でもアンモニア合成の優れた触媒となることを報告しました。それ以来、この触媒を詳しく解析し得られた知見から、先鋭化できる物質を検討し、新しい触媒を開発してきました。今回報告する触媒もその中の一つです。

研究の内容

アンモニア合成は、窒素分子をバラバラにして電子を与え水素と結合させる反応ということができます。2003年に細野教授らが初めて実現した安定なエレクトライドは、電子を与える物質で、これまでは、エレクトライドから触媒粒子へ電子供与して活性を高めて来ました。このエレクトライドの考え方を拡張することで新触媒を検討し、従来と異なり、ルテニウムなどの貴金属の微粒子を担持しなくても高い触媒活性を示す新しい触媒LaCoSiが開発されました。

金属間化合物LaCoSi（図1）の比表面積は1.8 m²/gと小さいにもかかわらず、図2aに示すように、これまで報告されたコバルト系触媒の中で最高の活性を示します。X線吸収分光法（XAFS）^[用語5]実験によって、LaCoSi内でのLaからCoへの電子供与が明らかにされており、この金属間化合物内での電子供与が高活性発現の鍵と考えられます。安定性も高く（図2b）、また、反応の活性化エネルギーは、ルテニウムを担持した触媒を含め最も低い値でした（図2c）。しかも、この触媒では、ルテニウム系触媒で生じる水素の圧力が高くなると活性が低下してしまうという水素被毒は観察されませんでした（図2d）。

アンモニア合成の鍵は窒素分子が持つ強い三重結合をいかに速やかに開裂するかにかかっており、LaCoSi表面ではそれが最も低い障壁で進行するのです。第一原理分子動力学計算によると、窒素分子はこの触媒の表面に吸着した際には、その振動レベルは励起状態にあり、したがってより速やかに原子上の窒素が開裂することが示唆されました（図3）。

今後の展開と波及効果

本研究で用いた触媒は比表面積が小さいので、さらなる高活性化を目指すにはナノ粒子化による比表面積増加が最もストレートなアプローチになります。

また、この新しいコンセプトで物質探索することによって、窒素分子や炭酸ガスなどの不活性分子の低温での効率的活性化につながるものと期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Nature Catalysis
論文タイトル :	Ternary Intermetallic LaCoSi as a Catalyst for N2 Activation（日本語タイトル：窒素分子の活性化触媒としての3元系金属間化合物LaCoSi）
著者 :	Yutong Gong, Jiazhen Wu, Masaaki Kitano, Junjie Wang, Tian-Nan Ye, Jiang Li, Yasukazu Kobayashi, Kazuhisa Kishida, Hitoshi Abe, Yasuhiro Niwa, Hongsheng Yang, Tomofumi Tada & Hideo Hosono
DOI :	10.1038/s41929-017-0022-0

• プレスリリース 貴金属を使わない高性能アンモニア合成触媒を開発 ―新しい窒素分子の活性化機構を示唆―
• 新たな発光材料の可能性を拓く「ナノコンポジット蛍光体」を開発 ―蛍光体探索の新たな道筋を示す―│東工大ニュース
• ありふれた物質でテラヘルツ波を可視光に変換 ―ナノ空間に閉じ込められた酸素イオンを振動させて発光―│東工大ニュース
• 最高の超伝導転移温度（Tc）を持った鉄系超伝導物質の新たな特徴を発見│東工大ニュース
• 低温で高活性なアンモニア合成新触媒を実現│東工大ニュース
• ガラスの新しい物性制御法を開発―微量の電子を混ぜただけで、ガラスの転移温度が100℃以上も低下―│東工大ニュース
• 希少元素を使わずに赤く光る新窒化物半導体を発見│東工大ニュース
• 顔 東工大の研究者たち 特別編 細野秀雄（上）｜研究ストーリー
• 顔 東工大の研究者たち 特別編 細野秀雄（下）｜研究ストーリー
• 細野・平松研究室 ―研究室紹介 #45―│材料系 News
• 細野・神谷・平松・片瀬研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 細野秀雄 Hideo Hosono
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 多田朋史 Tomofumi Tada
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 北野政明 Masaaki Kitano
• 東京工業大学 元素戦略研究センター
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 物質理工学院 材料系
• 研究成果一覧

科学技術が急速に進化、発展する中、本学は2030年に「世界トップ10に入るリサーチユニバーシティ」として、教育研究の成果と評価を世界最高水準に引き上げることを目標に掲げています。

「2030年に向けての研究企画」の検討にあたっての基本方針

目標の実現に向け、三島良直学長のもと、大学改革2年目を迎えた2017年4月から、世界トップ10を目指す研究分野について自由な意見交換を行っています。10年後の科学技術の役割を意識した新たな研究領域を創出し、本学の研究力を将来にわたって高めるための「2030年に向けての研究企画」を検討してきました。

第3期中期計画に掲げる「真理の探究・知識の体系化」、「産業への貢献・次世代の産業の芽の創出」、「人類社会の持続的発展のための諸課題の解決」に向け、全学の叡智を結集して社会の想像を超える科学技術を創出し、本学ならではの研究成果を社会に提供するための方策を検討しました。

まず、バックキャストのアプローチを取り入れ、次の1～3について検討することとし、「持続可能な開発目標（SDGs）」を意識しながら、今後の課題や将来の方向性を共有することとしました。

1.

未来社会と研究のつながり（新しい社会を切り拓く科学技術の姿）

2.

1を導き出す新しい研究領域・革新的な研究領域

3.

2の研究領域を包含し、世界トップ10と認知される本学の研究分野

学院等における検討

4月から各学院、リベラルアーツ研究教育院、科学技術創成研究院において個別に検討を開始しました。その結果を研究・産学連携本部 研究・産学連携戦略立案部会、および学長を議長とする戦略統括会議で共有し、改めて学院等において、リサーチ・アドミニストレーター（URA）^※を加えて検討を重ねました。こうして集約されたアイデアが、全学ワークショップの開催に繋がりました。

※

リサーチ・アドミニストレーター（URA）とは、大学等において、研究者とともに研究活動の企画・マネジメント、研究成果活用促進を行うことにより、研究者の研究活動の活性化や研究開発マネジメントの強化等を支える業務に従事する高度専門人材です。

講演会の実施

全学ワークショップの開催

ワークショップは、各学院等の長から推薦された教員37名、安藤真理事・副学長（研究担当）から推薦されたURA12名と、三島学長、安藤理事・副学長、岡田清理事・副学長（企画・人事・広報担当）、大竹尚登副学長（研究企画担当）、丸山剛司副学長（特命担当）、屋井鉄雄副学長（産学官連携担当）、佐藤勲副学長（戦略構想担当）、研究・産学連携本部の堀尾容康副本部長、岡本和久副本部長、学長補佐室の伊原学学長補佐、末包哲也学長補佐の11名を合わせた60名で行われました。

ワークショップの冒頭、大竹副学長から、各学院等から提案のあった「未来社会と研究とのつながり」との対応をまとめたイメージ図を示し、ワークショップの趣旨について説明しました。その後、参加者は14のグループに分かれ、リベラルアーツ研究教育院の伊藤亜紗准教授のファシリテーションにより、各学院等における検討結果をもとに設定した「目指す2030 年の“仮の”社会像」とともに、今後の課題や将来の方向性を検討しました。

伊藤准教授からは、「人間中心」（ヒューメイン）について説明があり、その後、各グループは、以下2点について「えんたくん 」^※を囲んで議論を交わし、議論の結果を発表しました。

フェーズⅠ：人間中心の観点からベスト・シナリオを1つ～3つ、および検討する過程で見えてきた、社会が人間中心であるための3箇条

フェーズⅡ：人間中心社会実現のための「新研究領域」とは？

各グループの発表内容については、発表と同時並行で、グラフィック・レコーディング により図示化され、その後の議論にも大いに役立ちました。

※

えんたくんとは、円型の段ボールでできた1枚の板であり、それを参加者の膝に乗せながら自由にアイデアを書き込む対話促進ツールです。

ワークショップ終了時には、参加者に追加課題が課されました。後日、ワークショップの議論から浮かび上がってきた“仮の”キーワード等についてさらに検討が加えられ、「サイボーグ工学」や「多様な幸福のための調和学」など、夢のある領域が取りまとめられました。

2030年に向けて、今後これらの領域については、単なる「夢」で終わらせることなく、全学の叡智を結集し推進していきます。

• 学生、教職員、執行部、卒業生200名を集め「東工大の未来を語り合う大ワークショップ」を開催｜東工大ニュース

ポイント

• 隕石に記録された放射壊変年代（アルゴン年代）は、初期太陽系で起きた出来事を紐解く上で重要である。
• 隕石のふるさとである小惑星帯での典型的な衝突（およそ5 km/s）ではアルゴン年代はリセットされない、と推定されてきた。
• 岩石の強度を考慮した数値衝突計算を実施し、衝撃圧縮状態からの減圧中に摩擦や塑性変形に伴う加熱が起こり、低速度衝突（2 km/s）でもアルゴン年代がリセットされることを示した。
• 初期太陽系の姿は従来推定されていたよりも穏やかであった可能性が高い。

概要

隕石に記録された放射壊変年代（アルゴン年代^※1）はその隕石の母天体がその時刻に1,000 Kの高温にさらされた時刻を示します。多くの隕石は初期の太陽系で母天体が冷え固まった時刻、すなわちおよそ45～46億年前の年代を示しますが、一部の隕石は若い年代を示します。母天体を1,000 Kまで加熱する過程は天体衝突しか考えられません。したがって、若い年代を示す隕石群の年代頻度の時間変化は太陽系天体の衝突史とみることができ、初期太陽系の軌道進化史の制約条件として利用されてきました。

アルゴン年代から衝突史の情報を引き出すためには、どの程度の衝突速度の場合に母天体が1,000 Kまで加熱されるか、という｢アルゴン年代消去衝突速度｣がわかっている必要があります。過去の理論的研究では岩石物質を理想的な流体であると仮定^※2し、母天体を1,000 K以上に加熱してアルゴン年代をリセットするためには6～8 km/sという高速度で衝突が起こる必要があると推定されました。この速度は小惑星帯における典型的な衝突速度（およそ5 km/s）よりも高速度です。ところが2010年以降、現実の物質（弾塑性体）への衝突ではこの推定よりも低速度の衝突でも大きな加熱度が達成されるという報告が室内衝突実験／数値衝突計算で報告されるようになってきました。この｢追加加熱｣の起源は未解明でしたが、アルゴン年代から復元される初期太陽系の姿が大幅に塗り替えられる可能性があります。

千葉工業大学の黒澤耕介研究員、東京工業大学 地球生命研究所（ELSI）の玄田英典特任准教授は数値衝突計算を行い、現実の岩石の弾塑性体挙動を計算に取り入れた場合の加熱度を調べました。その結果、衝撃波の伝播で圧縮・破砕された岩石が膨張して減圧する際に内部摩擦や塑性変形によって追加発熱が起こり（図1）、2 km/sという低速度衝突の場合でも衝突天体質量の10%が1,000 Kまで加熱されることを見出しました。6～8 km/sと考えられていたアルゴン年代消去衝突速度が実際には2 km/sであったことになります。

｢追加加熱｣によって、隕石のふるさとである小惑星帯の典型的な衝突でアルゴン年代消去が起こることがわかりました。この新発見は初期太陽系の衝突環境は従来推定よりも穏やかであったことを示唆します。

研究成果は、1月25日付の米国科学雑誌「Geophysical Research Letters」の電子版に掲載されました。

図1.

数値計算結果例。上2つのパネル（a、b）は衝突後のある時刻のスナップショットです。完全流体の場合（a）と、現実の岩石の弾塑性体挙動を再現できる物質モデルを取り入れた場合（b）を示しています。この例では小惑星帯の典型的衝突を想定し、衝突速度を3 km/s（斜め45度衝突、4.2 km/sの垂直方向速度成分）と設定しています。弾塑性体の場合、1,000 Kまで温度が上がっていますが、理想流体の場合はほとんど温度が上がらないことがわかります。下2つのパネル（c、d）は（a、b）で示した計算中の温度-圧力の時間変化です。パネル（a、b）中で点列で示された追跡粒子の温度-圧力履歴は線で繋いで可視化しています。衝撃波が到達し、圧力が急上昇した直後でなく、1万気圧ほどまで減圧していく際に徐々に温度が上昇していることがわかります。赤いハッチをかけた温度領域ではアルゴン年代がリセットされます。図中の黒線はユゴニオ曲線と呼ばれる衝撃波到達直後に到達する温度圧力を繋いだ理論曲線です。衝突からの経過時刻は衝突天体が地面に埋まるまでにかかる時間（衝突天体直径を衝突速度で割った値）で規格化しています。標的天体表面のごく近傍に位置していた物質は数値計算における信頼度が低いため灰色で示しています。

※1

カリウム（³⁹K）はマグマに集まる性質を持ち、一定の割合で放射性同位体である⁴⁰Kが含まれます。⁴⁰Kはおよそ13億年の半減期で⁴⁰Arに変化します。マグマの冷却によって固化して形成された岩石中では時間とともに⁴⁰Arが蓄積されます。したがって、隕石試料中の⁴⁰Arと³⁹Kの量比はその岩片が冷え固まった時刻を記憶していることになります。ところが岩片の温度が1,000 Kまで上昇すると蓄積した⁴⁰Arが岩片中を高速で拡散し、宇宙空間に失われ、記憶はリセットされます。実際の計測では岩片試料に中性子を照射し、試料中の³⁹Kを³⁹Arに変換し、高精度でアルゴンガスの同位体比（⁴⁰Arと³⁹Arの比）を計測する方法（アルゴンーアルゴン法）が用いられ、⁴⁰Ar-³⁹Ar年代と表記されます。

※2

秒速数km/sの衝突で達成される典型的な圧力は10万気圧以上に及びます。それに対して岩石物質の典型的な臨界降伏応力は高々数万気圧です。従って強度を持つ岩石物質であってもあたかも流体のように振る舞うため、完全流体近似は妥当であると考えられてきました。

論文情報

掲載誌 :	Geophysical Research Letters
論文タイトル :	Effects of friction and plastic deformation in shock-comminuted damaged rocks on impact heating
著者 :	Kosuke Kurosawa and Hidenori Genda
DOI :	10.1002/2017GL076285

• プレスリリース 隕石の記憶は容易に消去される ―天体衝突時の加熱過程における物質強度の効果を解明―
• 天体衝突による火星隕石の放出メカニズムを解明 ―心太式加速による惑星間物質輸送―｜東工大ニュース
• 火星衛星に火星マントル物質の存在を予言 ―JAXA火星衛星サンプルリターン計画での実証に高まる期待―│東工大ニュース
• 冥王星のクジラ模様は衛星カロンを作ったジャイアント・インパクトの痕跡だった｜東工大ニュース
• 土星の輪、誕生の謎を解明｜東工大ニュース
• ケンタウルス族小天体のリングの起源を解明｜東工大ニュース
• 火星衛星フォボスとディモスの形成過程を解明―JAXA火星衛星サンプルリターン計画への期待高まる―｜東工大ニュース
• 地球と金星は異なるタイプの惑星か?―地球型惑星の2つの進化類型を解明│東工大ニュース
• 玄田英典特任准教授 研究ページ
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 玄田英典 Hidenori Genda
• 地球生命研究所（ELSI）
• 千葉工業大学
• 研究成果一覧

東京工業大学 環境・社会理工学院 融合理工学系の髙木泰士准教授が、科学技術・学術政策研究所（NISTEP）^※の科学技術イノベーションの発展に顕著な貢献した「ナイスステップな研究者2017」11名のうちの一人としてして選定されました。

「ナイスステップな研究者」は、科学技術・学術政策研究所が2005 年より科学技術への顕著な貢献をされた方々を選定しているもので、選定の観点としては、優れた研究成果、国内外における積極的な研究活動の展開、研究成果の実社会への還元、今後の活躍への広がりへの期待等となっています。この名称は、すばらしいという意味の「ナイス」と、飛躍を意味する「ステップ」を組み合わせ、研究所の略称 「NISTEP（ナイステップ）」にからめてつけられたものです。

髙木准教授は、開発途上国の沿岸域防災研究という新しく、かつ学際的な研究分野を推進しています。詳細な現地調査を行い、その調査結果と、港湾工学や海岸工学といった個別の工学分野の知見を融合させることで、沿岸域災害の原因究明や具体的な防災対策の提案などを行っています。工学を中心としながらも、災害意識や避難行動など社会学の領域にも果敢にチャレンジしています。

現地調査を精力的に続ける傍ら、多くの国際ジャーナルへの寄稿や書籍出版、国際会議での発表など国際的に顕著な研究業績を残しており、気候変動や急激な都市開発・人口増加で、ますます災害リスクへの対応が求められる中、沿岸域防災研究という学際融合的な研究領域において、リーダーとして研究及びそのアウトリーチ活動の推進が期待されています。

今年度の「ナイスステップな研究者 2017」には、今後の活躍が期待される若手研究者を中心に、新しい領域を先導する研究者、科学技術と社会との共創を推進する研究者、国際的に活動を展開する研究者、日本を拠点に国際的に活躍する外国人研究者、画期的な研究手法・ツールの開発者、研究成果をイノベーションにつなげている研究者など、多岐にわたる分野の研究者が揃っています。

※

科学技術・学術政策研究所（NISTEP）は、国の科学技術政策立案プロセスの一翼を担うために設置された国家行政組織法に基づく文部科学省直轄の国立試験研究機関であり、行政ニーズを的確にとらえ、意思決定過程への参画を含めた行政部局との連携、協力を行うことが期待されています。

髙木准教授からのコメント

• ナイスステップな研究者｜科学技術・学術政策研究所
• 高木泰士研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 髙木泰士 Hiroshi Takagi

要点

• 開発した新触媒は従来よりも低温で高効率にアンモニア合成ができる
• 現在工業的に広く用いられている鉄触媒と比較して数倍高い活性を持つ
• 新触媒は反応中に自動的に活性構造が形成（自己組織化）される

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院の細野秀雄教授（元素戦略研究センター長）と原亨和教授、元素戦略研究センターの北野政明准教授らは、バリウムを少量加えたカルシウムアミド^[用語1]（Ba-Ca(NH₂)₂）にルテニウムのナノ粒子を固定化した触媒が、300 ℃以下という低温で、従来のルテニウム触媒の100倍高い効率でアンモニアを合成できることを発見しました。この触媒は、工業的に用いられている鉄触媒と比較しても数倍高い触媒性能を示しました。

アンモニアは窒素肥料原料として世界中で膨大な量が生産されており、一方で水素エネルギーキャリア^[用語2]としても期待が高まっています。そのため、近年では従来のような大型のプロセスではなく、小型のプロセスによるオンサイト^[用語3]でのアンモニア合成が求められています。この研究成果は、アンモニア合成プロセスの小型化・省エネルギー化技術を大幅に促進する結果であると言えます。

この触媒は、反応中に約3ナノメートル（nm）程度のルテニウムのナノ粒子の上に薄いバリウム層が形成され、同時にアミド欠損生成による仕事関数の小さな電子と多孔質なカルシウムアミドが形成されることで、高い触媒活性を示します。これら活性構造が自己組織的^[用語4]に形成され、反応中安定に保たれるユニークな触媒であることを発見しました。

この研究成果はドイツ科学誌「Angewandte Chemie（アンゲヴァンテ・ケミー）International Edition」オンライン速報版に2018年1月22日付で公開されました。

本成果は、以下の事業・研究課題によって得られました。

研究の背景と経緯

アンモニアは、窒素肥料の原料であり食料生産の鍵となります。人類の生活を支えるために最も多く生産されている化成品の1つです。アンモニア分子は、1つの窒素に3つの水素が結合しているため、重量あたりの水素保有量が極めて高い物質です。さらに室温かつ10気圧程度で液体になることから、燃料電池などのエネルギー源としての“水素”の貯蔵・輸送物質としても期待されています。

現在の工業的アンモニア合成法であるハーバー・ボッシュ法（1913年に確立）では、鉄を主体とした触媒が用いられており、高温（400～500 ℃）かつ高圧（100～300気圧）の条件が必要なため、専用の巨大な工場で生産されています。一方、低温で高効率に作動する触媒があれば、圧力も低減でき、よりコンパクトな小型のプロセスが可能となるため、必要な場所で必要なだけアンモニアを生産するオンサイト合成が実現できます。

研究の内容

研究グループは、バリウムを少量加えたカルシウムアミド（Ba-Ca(NH₂)₂）にルテニウムナノ粒子を固定化した触媒が、300 ℃以下の低温度領域で、従来のルテニウム触媒の100倍高い触媒活性を示すことを発見しました。さらに、この触媒は、工業的に用いられている鉄触媒と比較しても数倍も高い触媒性能を示しました（図1）。

ルテニウムの原料には、ルテニウムアセチルアセトナート錯体を用い、Ba-Ca(NH₂)₂と混合した粉体を、水素雰囲気中で400 ℃に加熱することで、約3 nm程度のルテニウムナノ粒子の上に、薄いバリウム層が形成され、同時に多孔質なカルシウムアミドが形成されます（図2）。触媒の原料であるBa-Ca(NH₂)₂の表面積は、17 m²/g程度ですが、ルテニウム源とともに水素中で400 ℃に加熱した触媒は、多孔質になるため表面積が約100 m²/gに拡大することがわかりました。また、カルシウムアミド中に添加されたバリウム成分は、この熱処理中に触媒表面へと移動し、ルテニウムのナノ粒子を覆うことで薄い層を形成します。このような活性構造が、自己組織的に形成され、反応中安定に保たれるユニークな触媒であることを発見しました。今回開発した触媒は、近年報告されているどの固体触媒よりも低温で高いアンモニア合成活性を示します。

今後の展開

今回開発した触媒は、既存の触媒材料の限界をはるかに凌駕するアンモニア合成活性を有し、アンモニア合成プロセスの省エネルギー化に大きく貢献できます。そのため、本技術をさらに発展させることで、アンモニアのオンサイト合成のための新しいプロセス構築に繋がると期待できます。

論文情報

掲載誌 :	Angewandte Chemie International Edition
論文タイトル :	Self-organized Ruthenium-Barium Core-Shell Nanoparticles on a Mesoporous Calcium Amide Matrix for Efficient Low-Temperature Ammonia Synthesis（メソポーラスなカルシウムアミド母体上に自己組織的に形成されたルテニウム-バリウムコアシェルナノ粒子による低温での高効率なアンモニア合成）
著者 :	Masaaki Kitano, Yasunori Inoue, Masato Sasase, Kazuhisa Kishida, Yasukazu Kobayashi, Kohei Nishiyama, Tomofumi Tada, Shigeki Kawamura, Toshiharu Yokoyama, Michikazu Hara & Hideo Hosono
DOI :	10.1002/anie.201712398

• プレスリリース 低温で高効率にアンモニアを合成できる触媒を開発 ―現行の工業用触媒に比べて3倍以上―
• 貴金属を使わない高性能アンモニア合成触媒を開発│東工大ニュース
• 新たな発光材料の可能性を拓く「ナノコンポジット蛍光体」を開発 ―蛍光体探索の新たな道筋を示す―│東工大ニュース
• ありふれた物質でテラヘルツ波を可視光に変換 ―ナノ空間に閉じ込められた酸素イオンを振動させて発光―│東工大ニュース
• 最高の超伝導転移温度（Tc）を持った鉄系超伝導物質の新たな特徴を発見│東工大ニュース
• 低温で高活性なアンモニア合成新触媒を実現│東工大ニュース
• ガラスの新しい物性制御法を開発―微量の電子を混ぜただけで、ガラスの転移温度が100 ℃以上も低下―│東工大ニュース
• 希少元素を使わずに赤く光る新窒化物半導体を発見│東工大ニュース
• 顔 東工大の研究者たち 特別編 細野秀雄（上）｜研究ストーリー
• 顔 東工大の研究者たち 特別編 細野秀雄（下）｜研究ストーリー
• 細野・平松研究室 ―研究室紹介 #45―│材料系 News
• 細野・神谷・平松・片瀬研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 細野秀雄 Hideo Hosono
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 原亨和 Michikazu Hara
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 北野政明 Masaaki Kitano
• 東京工業大学 元素戦略研究センター
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 物質理工学院 材料系
• ACCEL｜JST戦略的創造研究推進事業
• 研究成果一覧

早稲田大学 ナノ・ライフ創新研究機構の小島秀子研究院客員教授と、理工学術院の朝日透教授、谷口卓也 同大学 大学院先進理工学研究科4年・日本学術振興会特別研究員（DC2）らの研究グループは、東京工業大学 理学院の植草秀裕准教授らと、加熱・冷却すると尺取り虫のように歩いたり、高速で走る、「ロボット結晶」を開発しました。

2016年に熱や光により分子が回転・伸縮する分子マシンの研究に対してノーベル化学賞が授与されました。しかし、これらの分子マシンの大きさは1ミリメートルの百万分の1程度しかありませんので、小さすぎて肉眼では動く様子を見ることができません。このため次のステップは、分子マシンを集積し、目に見えるマクロな大きさで実際に動く材料を開発することです。今回、本研究では、結晶という材料自体がロボットのように歩いたり走ったりして移動することを見出し、またその推進力の発生メカニズムも明らかにすることができました。

少子高齢化に向かうこれからの社会において、人に寄り添うロボットの必要性が高まっています。とくに最近は、有機材料でできた柔らかくて軽いソフトロボットが注目されるようになってきました。今回開発したロボット結晶を使うことで、新方式のソフトロボットが実現することが期待されます。

本研究成果は、2018年2月7日（水）付の英国Nature Publishing Groupのオープンアクセス科学雑誌Nature Communicationsに掲載されました。

発表のポイント

• 世界初の「ロボット結晶」を開発しました。
• 相転移により屈曲した結晶が移動する推進力は、結晶の非対称な形から発生することを明らかにしました。
• ロボット結晶を使った新方式のソフトロボットが実現することが期待されます。

これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

結晶^[注1]は硬くて割れ易いという既成概念がありましたが、2007年にジアリールエテン結晶が光によって曲がることが初めて報告され^{[参考文献1]}、これまでの結晶のイメージを覆しました。小島秀子研究院客員教授はこの10年間、アゾベンゼンやサリチリデンアニリンなど、光によって曲がる様々な結晶を開発してきました。このようなメカニカル結晶を実用化するに当たっては、屈曲だけでなく多様な動き方をする結晶が必要となります。しかし、メカニカル結晶の開発研究が盛んになった現在においても、屈曲・伸縮といったその場での運動がほとんどで、光照射下で結晶が融解・固化を繰り返しながら這うように進むという報告^{[参考文献2]}以外に、結晶を別の場所に移動させることは実現できていませんでした。

今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回の研究では、結晶が尺取り虫のように屈曲を繰り返しながらゆっくりと歩く、また、屈曲した結晶が転がりながら高速で走るという、異なる2つのモードの移動が実現しました。さらに、結晶が移動する推進力は、結晶外形の非対称性から発生することを明らかにしました。

そのために新しく開発した手法

結晶が移動するメカニズムを明らかにするために、顕微鏡下で結晶の動きを高速撮影すると同時に、高精度赤外線サーモグラフィーカメラで結晶表面温度の変化も撮影し、結晶の動きと温度変化の関係を詳細に調べました。

今回の研究で得られた結果及び知見

今回開発したこのロボット結晶は、キラルアゾベンゼン結晶です。2016年に本研究グループは、この結晶に光を当てるとねじれ曲がることは報告しています^{[参考文献3]}。その研究の過程で、このキラルアゾベンゼン結晶が145℃で相転移^[注2]し、しかも加熱・冷却を繰り返しても結晶が壊れないことがわかりました。細長い板状結晶をホットプレートに置いて加熱していくと、わずかに屈曲する様子が観察されました。結晶は熱伝導によって下から暖まるので、先に下部が相転移して結晶構造が変化し、この結晶では長さが少し縮みます。一方、結晶の上部はまだ相転移温度に達しておらず、結晶の長さは元のままのために屈曲が生じます。左右で厚みが異なる板状結晶を、相転移点前後で加熱と冷却を繰り返すと、結晶は屈曲を繰り返し、尺取り虫のようにゆっくりと歩いてくことを見いだしました （図1）。さらに、より薄い板状結晶の場合は、加熱あるいは冷却を1回行うだけで、結晶は高速で走りました （図2）。これは、結晶が曲がった時にバランスを保てずに傾いて倒れ込み、勢い余って加速度がつき何回も転がっていくためです。走る速さは秒速15 mmで、歩く速さ（秒速0.0008 mm）の2万倍にも達します。結晶の形と動きの関係を詳細に考察した結果、「歩く」、「走る」の推進力は、結晶の外形が非対称であることから発生することがわかりました。

研究の波及効果や社会的影響

本研究では、結晶という材料自体が歩いたり走ったりして移動することを見いだしました。移動する結晶は、微小領域での物質輸送などを担うマイクロロボットとして実用化できる可能性があります。また、より広い視点では、自立的に移動できるこの有機結晶は軽くてしなやかで耐久性もありますので、ソフトロボットの材料として有用であると考えられます。現在のロボットは金属部品の組み合わせでできているため、硬くて重いのが欠点です。人とロボットが融和して日常的に触れ合う未来を考えると、柔らかくて軽いソフトロボットの方が身体的にも心理的にも人間に適しています。変形・移動できる結晶を材料に使うことで、そのようなソフトロボットの実現が期待されます。実現すればその波及効果は大きく、少子高齢化に向かうこれからの社会全体に貢献できます。

今後の課題

ソフトロボットへの実用化に当たっては、結晶が移動する方向や速さを精密に制御できるようにする必要があります。また、もう少し低い温度で相転移する新しいロボット結晶を開発することが今後の課題となります。

参考動画

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Walking and rolling of crystals induced thermally by phase transition
著者 :	Takuya Taniguchi1, Haruki Sugiyama2, Hidehiro Uekusa2, Motoo Shiro1, Toru Asahi1, Hideko Koshima1
所属 :	1早稲田大学、2東京工業大学
DOI :	10.1038/s41467-017-02549-2

• プレスリリース 歩き走るロボット結晶の開発に世界で初めて成功 ―ソフトロボットへの実用化を期待―
• 光合成機能をもつ有機分子が働く瞬間を直接観察｜東工大ニュース
• 植草研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 植草秀裕 Hidehiro Uekusa
• 理学院 化学系
• 早稲田大学 ナノ・ライフ創新研究機構
• 研究成果一覧

要点

• 広帯域ミリ波無線送受信機を開発
• 安価で量産可能なシリコンCMOS集積回路により実現
• 多値変調を用いた無線伝送実験で毎秒120ギガビットの通信速度を達成

東京工業大学は、株式会社富士通研究所と共同で、70から105ギガヘルツ（GHz）と広い周波数範囲で、高速に信号処理できるCMOS（シーモス；Complementary MOS）無線送受信チップを開発した。独自の広帯域化技術により無線装置の大容量化を実現し、世界最高速となる毎秒120ギガビットの無線伝送に成功した。これにより、光ファイバー通信網の敷設が困難な用途で、屋外設置可能な大容量無線通信が可能になる。

スマートフォンやタブレット端末で利用できる高精細動画サービスなどにより、無線インフラに求められる通信容量が爆発的に増大している。従来、基地局間は光ファイバーにより接続されていたが、建物が密集している都市部や河川、山間に挟まれた地域間など光ファイバー通信網の敷設が困難な地域へのサービス展開が難しいという課題があった。また、数万人の観客が一時的に集まる大規模な競技場やイベント会場、災害復旧時の迅速かつ柔軟な無線ネットワーク敷設のために、基地局間を光ファイバーではなく、無線により接続する要望が高まっている。そのため、大容量の通信が可能なミリ波帯（30から300 GHz）を利用した高速無線送受信技術を開発した。

研究成果の詳細は、2月11日から米国サンフランシスコで開催された「国際固体素子回路会議ISSCC 2018（IEEE International Solid-State Circuits Conference 2018）」で発表された。

開発の背景

2020年の東京オリンピック・パラリンピックにむけ、第5世代移動通信システム（5G）の実用化を目指した研究開発が活発化している。この背景には、スマートフォンやタブレット端末の普及に伴い、高精細動画サービスなどによるデータ通信量が急激に増大していることや、IoTや自動運転などの新技術により、無線通信に対しても多様な性能が求められるようになっていることがあげられる。 それらを支える無線インフラとして、無線基地局とコアネットワーク、もしくは基地局間を結ぶ基幹ネットワークについても、爆発的な容量拡大に対応するための技術が求められている。また、従来は数キロメートルの広範囲をカバーするマクロセル方式が中心だったが、5Gでは、数百メートル以内の小さいエリアをカバーする基地局を多数設置するスモールセル方式を組み合わせることによって通信量の増大に対応している。

現在、基地局間の通信回線は大容量データを伝送できる光ファイバーが主流だが、建物が密集している都心部や、山間や河川などで隔たれた地域間では新規に光ファイバーを敷設することが困難である。また、一時的に数万人が集まるような大規模イベントにおいても臨時基地局の設置が求められており、屋外に簡便に設置できる大容量無線装置の実現が期待されている。

課題

大容量データを無線伝送するためには、広い周波数範囲を利用することが必要である。そのためには、競合する無線アプリケーションが少なく、広帯域なミリ波帯（30から300 GHz）の利用が適している。しかし、ミリ波帯は周波数が非常に高く、CMOS集積回路の動作限界に近いところで設計する必要があるため、設計の難易度が高く、広帯域な信号を高品質にミリ波帯の周波数へ変復調^[用語1]する送受信回路や、回路基板とアンテナを接続するインターフェース回路を低損失に実現することが困難だった。

同研究グループは2016年に毎秒56ギガビットの無線伝送を達成したが、搬送波に含まれる高調波信号により、それ以上帯域が広げられないことが課題となっていた。

研究成果

同研究グループはデータ信号を二つに分け、それぞれを異なる周波数帯に変換してから混合することによって送受信回路を広帯域化する技術を用い、CMOS無線送受信チップ（図1）を開発した。低帯域信号は70.0から87.5 GHz、高帯域信号は87.5から105.0 GHzのそれぞれ17.5 GHz幅ごとに変復調を行う。この技術により、35 GHz幅の超広帯域信号においても高品質な信号伝送を実現することに成功した。 開発したCMOS無線送受信チップには、この際に必要な70 GHzと105 GHzの搬送波発生回路が内蔵されている。従来は搬送波発生回路に含まれる高調波成分により信号品質が劣化していたが、新たに開発した高調波抑圧技術によりこの問題を解決した。逓倍数^[用語2]を下げた構成とし、多段の増幅回路と内蔵の高調波抑圧フィルタを組み合わせることで、16 QAM^[用語3]の多値変調に必要な信号品質を達成している。

なお、東工大は送受信回路の広帯域化技術を開発し、富士通研はモジュール化技術を実施した。

室内で、20センチメートルの距離を隔てて2台のモジュールを対向させ、データ伝送試験を実施した。その結果、世界最高速となる毎秒120ギガビットのデータ伝送に成功した。このデータ伝送速度は従来、報告されている伝送速度の2倍以上である（図2：集積回路として実現されたミリ波送受信機について記載）。

この際の消費電力は送信時120 mW、受信時160 mWで、従来の約半分だった。35 GHzの基準信号からの搬送波発生において、70 GHz搬送波に対して29 dBc^[用語4]の三倍高調波抑圧、105 GHz搬送波に対して38 dBcの二倍高調波抑圧を達成し、16 QAMの多値変調による無線通信を35 GHzの周波数帯域幅で実現することができた。また、今回の開発品は従来に比べ、送信機の出力電力を4.5倍に向上しており、高利得のアンテナを使うことで、600メートル程度の無線通信が可能となる。

今回の成果により、屋外設置可能な無線装置の大容量化が可能になる。これにより、新規に光ファイバーを敷設することが困難な都市部や河川を挟んだ山間部、オリンピックの臨時基地局などへも無線による大容量な基地局ネットワークを容易に展開でき、快適な通信環境を提供することが可能になる。

今後の展開

スマートフォンなどの基地局間通信向けの無線基幹回線をターゲットとして2020年頃の実用化を目指す。

※

商標について：記載されている製品名などの固有名詞は、各社の商標または登録商標です。

発表情報

国際会議 :	2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)
タイトル :	A 120Gb/s 16QAM CMOS Millimeter-Wave Wireless Transceiver
著者 :	Korkut K. Tokgoz, Shotaro Maki, Jian Pang, Noriaki Nagashima, Ibrahim Abdo, Seitaro Kawai, Takuya Fujimura, Yoichi Kawano, Toshihide Suzuki, Taisuke Iwai, Kenichi Okada, Akira Matsuzawa

• プレスリリース 世界最高速！毎秒120ギガビットの無線伝送に成功 ―5Gの普及を加速―
• 世界最高速！毎秒56ギガビットの無線伝送に成功―ミリ波帯無線機をCMOS集積回路で実現―│東工大ニュース
• 新型デジタル発振器を開発 ―電圧サブサンプリングにより低消費電力、低ジッタ実現―│東工大ニュース
• 松澤・岡田研究室 ―研究室紹介 #1―
• いつか、有線を超える無線技術を夢見て～ミリ波から広がる世界最速の無線機への可能性～ ― 岡田健一│研究ストーリー｜研究
• 松澤・岡田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 岡田健一 Kenichi Okada
• 工学院 電気電子系
• 株式会社富士通研究所
• 国際固体素子回路会議ISSCC 2018
• 研究成果一覧

要点

• 新型デジタル発振器により大幅な低消費電力化を達成
• IoT機器への幅広い利用を期待

概要

東京工業大学 工学院 電気電子系の松澤昭教授と岡田健一准教授らの研究グループは、世界最小電力で動作するBluetooth Low Energy（BLE、ブルートゥース・ローエナジー）^[用語1]無線機の開発に成功した。無線機の大部分をデジタル化することにより実現した。

BLE無線機は最小配線半ピッチ65 nm（ナノメートル） のシリコンCMOSプロセスで試作し、送信時2.9 mW（ミリワット）、受信時2.3 mWの極低消費電力で動作することを確認した。これは、これまでに報告されたBLE無線機の半分以下の消費電力である。長期間にわたり電池交換の必要がなくなり、IoT（Internet of Things、モノのインターネット）技術の普及を大きく加速させる成果である。

研究成果について、2月11日～15日に米国サンフランシスコで開かれる「ISSCC 2018（国際固体素子回路会議）」で2件の論文を発表する。

本研究開発の成果の一部は国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）委託事業「IoT推進のための横断技術開発プロジェクト」の結果得られたものである。

研究の背景・意義

消費電力の少ない無線技術は、IoT技術の適用範囲を広げる鍵となる技術として、近年盛んに研究開発が行われている。その中でも、BLEは、従来のBluetoothに比べて1桁以上の低消費電力化が可能であり、パソコン周辺機器やスマートフォンを中心に爆発的に利用が広がっている。メッシュネットワーク（端末同士が相互に通信を行う網の目状の通信ネットワーク）にも対応し、より幅広い種類のIoT端末への搭載が期待されている。

現状のBLE無線機はボタン電池1つで2～5年程度の駆動が可能だが、IoT端末の耐用年数中に電池交換を不要とするためには、10年以上の駆動が必要となり、BLE無線機にはさらなる低消費電力化が求められている。

研究成果

今回の研究成果は、大きく2つに分けることができる。1つは新型デジタル時間変換器（DTC : Digital-to-Time Converter）^[用語2]により、低ジッタ^[用語3]かつ広帯域な特性を実現した低消費電力デジタル位相同期ループ（PLL : Phase-Locked Loop）^[用語4]で、もう1つは、そのデジタルPLL回路を用いて実現した世界最小電力で動作するBLE無線機に関するものである。

開発したBLE無線機は、キャリア再生^[用語6]やアナログデジタル変換^[用語7]をPLL回路に担わせることで大幅な消費電力の削減を可能とした（図1）。従来の低消費電力デジタルPLL回路はBLE無線機に必要な低ジッタかつ広帯域な特性を実現できないことが課題だった。これに対し、今回開発したBLE無線機のデジタルPLL回路は、新型DTC（図2）により、低ジッタかつ広帯域な特性を実現し、BLE無線機での利用が可能となった。

図2. 新型デジタル時間変換器（DTC）の構成

特徴：従来のDTCでは、大きな容量の充電が必要なため、消費電力が大きく、また、高速な動作も難しかった。提案する新型のDTCでは、小さな容量の充電で済むため、低消費電力かつ高速な動作が可能である。

これにより、従来のBLE無線機の受信に必要な回路規模を半分にし、またアナログデジタル変換器（ADC : Analog-to-Digital Converter）を不要とすることに成功した。またADCとしての性能向上のために、オフセット分を帰還させることで、大幅な分解能の向上を可能とした。最小配線半ピッチ65 nmのシリコンCMOSプロセスで試作したBLE無線機は、送信時に2.9 mW、 受信時に2.3 mWの消費電力で動作する。

図3にBLE無線機全体の回路ブロック図を示す。送受信回路、局部発振器（PLL）、ベースバンド変復調器などを含み、変復調されたデジタル信号として入出力が可能である。図4にチップ写真を示す。2.26 mm（ミリメートル） x 1.90 mmの小面積で実現した。表1に消費電力の比較を示す。従来、報告があったBLE無線機の半分以下の消費電力で動作を実現した。Bluetooth 4.2（BLE）規格に準拠し、幅広い種類のIoT機器に搭載可能である。

図3. BLE無線機の回路ブロック図

特徴：送受信回路、局部発振器（PLL）、ベースバンド変復調器等を含み、変復調されたデジタル信号として入出力が可能である。

図4. チップ写真

特徴：CMOS 65 nmプロセスにより製造した。

デジタルPLL回路は単独の評価回路も作成し、同じく最小配線半ピッチ65 nmのシリコンCMOSプロセスで試作、消費電力とジッタ特性において、低消費電力無線向けPLL回路として、世界最高性能を達成している。PLL回路には整数分周型PLLと分数分周型PLL^[用語5]がある。整数分周型PLLは基準信号に対して整数倍の周波数を出力するが、分数分周型は分数倍の任意の周波数の出力が可能である。無線通信には分数分周型のPLL回路が必要である。アナログPLLでは分数分周型を比較的容易に実現できるが、低消費電力化で有利なデジタルPLLにおいて分数分周型のものはジッタ特性が劣化しやすく実現が難しいことが課題だった。

今回の研究成果におけるデジタルPLL回路では、新型DTCにより、低ジッタかつ広帯域な特性を低消費電力で実現した。ジッタを消費電力で正規化したPLL FoM^[用語9]特性において非常に良好な-246 dBの性能を達成した。従来、同様のFoM性能を達成したものは8.2 mWの消費電力を要したのに対し、8分の1以下の0.98 mWでの動作を実現した。また低消費電力モードでは0.65 mWでの動作も可能である。

今後の展開

本開発品のBLE無線機および極低消費電力のデジタルPLLは、広範なIoT機器への組み込みが可能であり、メンテナンスフリーでの動作を実現することで、IoT機器の爆発的普及への足掛かりとなる技術である。また、特許出願中の新型DTCや、それを用いたデジタルPLLは、要素的回路であるため、無線機以外の幅広い回路用途に利用可能であり、それぞれの用途での性能向上や低消費電力化が期待できる。

発表予定

この成果は2月11日～15日にサンフランシスコで開催される「2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference （ISSCC 2018） : 2018年米国電気電子学会 国際固体素子回路会議」の2セッションで発表する。

デジタルPLL技術は講演セッション「Session 15 – RF PLLs」において、「A 0.98 mW Fractional-N ADPLL Using 10 b Isolated Constant-Slope DTC with FoM of -246 dB for IoT Applications in 65 nm CMOS （0.98 mWで動作する分数分周デジタルPLL －10ビットDTCにより-246 dBのFoMを達成－）」の講演タイトルで、現地時間2月13日午後1時半から発表する。BLE無線機等に利用可能な分数分周型のPLL回路において、世界最小消費電力を実現した。

Bluetooth無線機はセッション「Session 28 –Wireless Connectivity」で、「An ADPLL-Centric Bluetooth Low-Energy Transceiver with 2.3 mW Interference-Tolerant Hybrid-Loop Receiver and 2.9 mW Single-Point Polar Transmitter in 65 nm CMOS（送信2.9 mW、受信2.3 mWで動作可能なBLE無線機）」の講演タイトルで、現地時間2月14日午後2時から発表する。

• プレスリリース 世界最小電力で動作するBLE無線機を開発 ―デジタル化で実現、IoTの普及を加速―
• 世界最高速！毎秒120ギガビットの無線伝送に成功│東工大ニュース
• 新型デジタル発振器を開発 ―電圧サブサンプリングにより低消費電力、低ジッタ実現―│東工大ニュース
• いつか、有線を超える無線技術を夢見て～ミリ波から広がる世界最速の無線機への可能性～ ― 岡田健一│研究ストーリー｜研究
• 東工大教員3名が平成29年度科学技術分野の文部科学大臣表彰で「科学技術賞」を受賞│東工大ニュース
• 松澤・岡田研究室 ―研究室紹介 #1―│東工大ニュース
• 松澤・岡田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 松澤昭 Akira Matsuzawa
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 岡田健一 Kenichi Okada
• 工学院 電気電子系
• 研究成果一覧

要点

• 窒素原子の配置を工夫してエネルギー準位や分子の平面性を最適化
• アミノアルキル単分子膜で電子のみ輸送可能に
• この有機半導体高分子^[用語1]で高性能な有機トランジスタの開発に成功

概要

東京工業大学 物質理工学院の王洋研究員と道信剛志准教授らの研究グループは、有機半導体高分子の効率的な合成法を確立し、数平均分子量^[用語2]10⁵ g mol^-1以上の有用な高分子量体を得ることに成功した。電子吸引性のsp²混成軌道^[用語3]を持つ窒素原子を、この高分子の主鎖の適切な位置に配置することで、電子を輸送しやすいエネルギー準位を作り出し、高分子薄膜の結晶性を向上させた。

さらに、有機トランジスタを作製したところ、シリコン基板上にアミノアルキル単分子膜を成膜すると、有機半導体中の正孔（プラスの電荷）の輸送を抑制し、電子（マイナスの電荷）のみを選択的に流すことができた。結果、電子移動度が5.35 cm² V^-1 s^-1で閾値電圧1 V、オン―オフ電流比10⁷を示す高性能な有機トランジスタを実現した。

この成果は2月12日発行のドイツ科学雑誌「Advanced Materials（アドバンスド・マテリアルズ）」オンライン版に掲載された。

研究成果

有機半導体高分子は通常、パラジウム触媒を用いたクロスカップリング重合^[用語4]により合成される。この研究では、従来から用いられている重合条件に、ヨウ化銅を少量添加することで触媒反応の効率が向上することを見出した。また、溶媒をトルエンからクロロベンゼンに変えると高分子の溶解性が増大し、再現性よく10⁵ g mol^-1を超える高分子量体を得ることができた。ヨウ化銅がないと数平均分子量は10⁴ g mol^-1桁に留まっていた。

ベンゾチアジアゾールは、有機半導体高分子の主鎖によく用いられるアクセプター性骨格である。この骨格にsp²混成軌道を持つ窒素原子を置換するとアクセプター性が向上し、-3.8～-3.9 eVの深い最低空軌道（LUMO）準位^[用語5]を作り出すことに成功した。このLUMO準位は効率的な電子の注入と輸送を実現するのに適している。また、窒素原子の置換によって主鎖骨格の平面性が上がったため、分子間でのπ-π相互作用も強まり、高分子薄膜の結晶性が向上した。

有機トランジスタのシリコン基板上にアミノアルキル単分子膜を成膜すると、半導体中にマイナスの電荷層が生成できるため、正孔がトラップされ、電子のみが流れることが知られている。アミノアルキル単分子膜の従来の成膜法にはディップコート法が用いられていたが、本研究では、より簡便なスピンコート法^[用語6]で成膜する手法を開発した。

これら成果の相乗効果によって、ベンゾチアジアゾール型の有機半導体高分子としては非常に大きい電子移動度である5.35 cm² V^-1 s^-1を達成した。

背景

太陽電池などで利用されているアモルファスシリコンを超える高い移動度を実現することが、有機半導体高分子を実用化する際の目安になると考えられている。正孔輸送型半導体高分子では既に10 cm² V^-1 s^-1を超える非常に高い移動度が達成されているが、電子輸送型半導体高分子での成功例は限られていた。そのため、高分子の合理的な設計指針とデバイス作製手法の確立が求められていた。

今後の展開

今回の成果は、電子輸送型高分子半導体の明確な設計指針を与えており、効率的な高分子合成法を適用すれば、既存の高分子半導体の性能をさらに向上できる可能性を提示している。また、正孔輸送型半導体高分子と組み合わせることで、全有機高分子型のデジタル回路や熱電変換素子、太陽電池などに応用することが期待される。

論文情報

掲載誌 :	Advanced Materials
論文タイトル :	High-Performance n-Channel Organic Transistors Using High-Molecular-Weight Electron-Deficient Copolymers and Amine-Tailed Self-Assembled Monolayers
著者 :	Yang Wang, Tsukasa Hasegawa, Hidetoshi Matsumoto, Takehiko Mori, and Tsuyoshi Michinobu
DOI :	10.1002/adma.201707164

• プレスリリース 高い電子移動度を持つ有機半導体高分子を開発 ―全有機高分子型のデジタル回路や太陽電池などへの応用に期待―
• 道信研究室 ―研究室紹介 #39―│材料系 News
• 道信研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 道信剛志 Tsuyoshi Michinobu
• 物質理工学院 材料系
• 研究成果一覧